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Erfolgreiches Energy Harvesting für Funksensorknoten : Ausgabe 16/2015, 07.10.2015

In Richtung Perpetuum Mobile

Energy Harvesting zur Versorgung von Funksensorknoten muss nicht kompliziert oder teuer sein. Die sorgfältige Wahl des Kommunikationsprotokolls und der Datenrate, sowie fortschrittliche, stromsparende HF-ICs sorgen für einen sehr niedrigen Stromverbrauch. Damit ergibt sich ein Funksensorknoten, der nahezu zeitlich unbegrenzt und ohne menschlichen Eingriff tadellos arbeitet.

Autor: Cristian Toma, Senior Applications Engineer, Microchip Technology

Bilder: Microchip

Die Energiemenge, die ein Funksensor «ernten» kann, wird durch Kosten- und Grössen­aspekte begrenzt. Dabei muss sichergestellt sein, dass die vom Sensor und Funksender verbrauchte Energiemenge niedriger ist als die vom Energy Harvester zugeführte Energie. Es gibt verschiedene Quellen, aus denen sich Energie beziehen lässt, wobei Solarenergie am häufigsten verwendet wird. Zu den anderen Energiequellen zählen Funkwellen, die über eine Antenne empfangen und in elektrische Energie umgewandelt werden. Elektromechanische Energie kann über einen Magneten in der Nähe einer Spule abgegriffen werden. Temperaturgradienten stellen mittels des Seebeck-Effekts thermoelektrische Energie für das Energy Harvesting bereit.

Die Wahl hängt vom Grad der Kompatibilität ab

Gängige Funkprotokolle wie ZigBee oder Blue- tooth sind der erste Gedanke, wenn eine Funktechnik für ein Energy Harvesting-Design erwogen wird. Jedoch müssen nicht alle Designs die Kosten oder Komplexität eines Standard-Funkprotokolls hervorrufen. Die Wahl hängt vom Grad der Kompatibilität ab, die jedes Design erfordert. Funkkopfhörer für ein Mobiltelefon müssen zum Beispiel eine breite Kompatibilität bieten, während eine einfache Funkfernsteuerung nicht kompatibel zu anderen Produkten sein muss.

Zertifizierungskosten werden meist unterschätzt

Jedes Design, das einen Funksensor enthält, muss nach FCC oder CE zertifiziert werden. Diese Kosten betreffen somit alle Designs. Die Zertifizierungskosten für einen bestimmten Standard sind dabei generell höher als für die FCC- oder CE-Zertifizierung und werden meist unterschätzt.

Die Gesamtkosten zur Implementierung eines Funkstandards gehen viel weiter als die grundlegenden Kosten für die Hard- und Software. Bevor der Compliance-Prozess durchlaufen wird, muss das Design einem Pre-Compliance-Test unterzogen werden. Hinzu kommen die Kosten des eigentlichen Zertifizierungsprozesses für den Funkstandard. Zusammen ergeben sich für sämtliche Tests rund um den ZigBee-Standard somit Zertifizierungskosten von etwa 3000 Dollar. Zusätzlich kann ein jährlicher Mitgliedsbeitrag fällig sein, und auch Chip-Lizenzgebühren pro Chip können anfallen.

Verbrauchsoptimierung

Ein effektives Stromverbrauchsmanagement ist entscheidend für einen Funksensorknoten, der über Energy Harvesting versorgt wird und hat Einfluss auf jede Designentscheidung. Die Konfiguration der Funkübertragung verdient besondere Beachtung, damit unnötiger Stromverbrauch vermieden wird. Parameter wie das Modulationsschema, die Datenübertragungsgeschwindigkeit und die HF-Ausgangsleistung in die Antenne beeinflussen den Gesamtverbrauch. Generell sorgen kürzere Aktivperioden zu einem niedrigeren Durchschnittsverbrauch. Dann muss sichergestellt sein, dass alle Bauteile des Designs, von der LED bis zum Mikrocontroller die maximale Zeit im Low-Power-Modus verbringen.

Stromaufnahme contra Datenrate

Bei einer höheren Datenrate verbraucht das System mehr Strom. Zur Abwägung sollte aber beachtet werden, dass kürzere Paketlängen den Energieverbrauch senken. Das Modulationsschema beeinflusst den Stromverbrauch ebenfalls. ASK- oder OOK-Modulation verbraucht weniger Energie, da bei ASK Perioden mit verringerter HF-Leistung und bei OOK Perioden mit null Leistung auftreten. Auch der durchschnittliche Stromverbrauch ist mit ASK geringer. Trotzdem ist die bevorzugte Modulationsart FSK, da sie eine wesentlich höhere Datenrate erlaubt. Wenn nur eine einfache Einwegkommunikation benötigt wird, kann das Design einen einfachen HF-Sender verwenden. Soll allerdings eine Zertifizierung nach einem Funkstandard wie IEEE 802.15.4 erfolgen, ist ein spezieller Controller zu bevorzugen. Micro­chips Mikrocontroller PIC12LF1840T48A bietet einen integrierten HF-Sender, der eine Datenrate von 10 kBit/s im OOK-Modus und 100 kBit/s im FSK-Modus unterstützt. Mit FSK-Modulation werden die Daten also 10 Mal schneller übertragen als mit OOK. Bei höheren Datenraten kann ein HF-Empfänger FSK-Signale auch wesentlich effizienter empfangen und dekodieren als bei einer ASK-Modulation.

Energieverbrauch verwalten

Die stromsparenden Shutdown-Modi des Mikrocontrollers tragen ebenfalls zu einem geringeren Stromverbrauch bei. Die Frequenz, mit der der Sensor Daten übertragen muss, hängt von der Reaktionszeit jeder Anwendung ab. Eine längere Zeitdauer zwischen Aktivperioden heisst, dass der Controller mehr Zeit im Low-Power-Modus verbringt und der durchschnittliche Stromverbrauch sinkt.

Der Stromverbrauch hängt auch von der Art der Daten ab, die der Sensor zwischen den Übertragungen erfasst. Der Datenempfang von Operationsverstärkern und einer Wägezelle erfordert einen relativ hohen Strom im Vergleich zum Stromverbrauch während der HF-Datenübertragung.

Fazit

Die erfolgreiche Implementierung von Energy Harvesting zur Versorgung eines Funksensorknotens erfordert eine sorgfältige Berechnung des Gesamtstromverbrauchs. Der Hauptvorteil des Energy Harvesting ist dabei nicht die sofortige Kostensenkung pro Einheit, sondern langfristige Einsparungen bei den Wartungskosten. Dies lässt sich durch die Wahl des am besten geeigneten Kommunikationsprotokolls, der Datenrate und der stromsparenden Funktionen von HF-Bausteinen wie Microchips Mikrocontroller PIC12LF1840T48A erzielen.

Infoservice


Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 7599
www.microchipdirect.com



Der Mikrocontroller PIC12LF1840T48A überzeugt durch seine stromsparenden Funktionen


Das Blockdiagramm des HF-Bausteins für das Energy Harvesting