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Betrieb von Long Range Wireless Nodes mit Energy Harvesting : Ausgabe 11-12/2017, 05.07.2017

Sichere Übertragung auch bei schwachem Licht

Low-Power-Wide-Area-Network-Systeme (LPWAN) sind heute wichtige Elemente im Bereich IoT. Sie erlauben es, kleine Datenmengen über lange Distanzen zu übermitteln und dies mit einer minimalen Anzahl von zusätzlichen Gateways bei einer tiefen Datenrate. Dies braucht mehr Zeit und Energie wobei Energy Harvesting langsam an seine Grenzen stösst.

Autor: Manuel Brütsch, Philipp Bachmann, Marcel Meli

Bilder: InES

Um bei LPWANs Daten über weite Distanzen fehlerfrei zu übertragen, ist oft eine tiefe Datenrate notwendig. Dies bedeutet, dass die Datenübertragung mehr Zeit in Anspruch nimmt und daher auch mehr Energie benötigt wird. Aus diesem Grund, wird es im Vergleich zu herkömmlichen Wireless-Personal-Area-Network-Systemen (WPAN) immer schwieriger, solche LPWAN-Systeme ausreichend mittels Energy Harvesting zu betreiben. In diesem Beitrag wird ein Sensormodul vorgestellt, welches mit der Energie einer relativ kleinen Indoorsolarzelle auskommt, um Messdaten mittels LoRa zu einem Gateway zu übertragen. Erste Resultate zeigen deutlich, dass es möglich ist, genügend Energie zu speichern, um hunderte von Paketen pro Tag zu versenden. Dies ist derzeit mehr als von einigen öffentlichen LPWANs zugelassen wird.

Entwicklung eines LPWAN-Moduls

Es gibt bereits diverse LPWAN-Technologien auf dem Markt, die sich bezüglich Reichweite, Energieverbrauch und Datenrate zwischen den normalen Low-Power-WPAN-Technologien wie Bluetooth Smart, ZigBee und anderen auf 802.15.4 basierenden Protokollen und Wireless Wide Area Networks (WWAN) wie GSM eingliedern. Tests an unserem Institut der ZHAW haben gezeigt, dass das Versenden einer 50 Zeichen langen SMS über ein GSM-Modem mehrere Joules benötigt. Eine ähnliche Anwendung mit einem LoRa-Modem verbraucht viel weniger Energie, während zum Beispiel Bluetooth Smart nochmals zwischen 10 und 100 mal weniger Energie benötigt. Die meisten Geräte, die heute ein LPWAN-Protokoll verwenden, sind mit Batterien betrieben oder hängen direkt am Stromnetz. Ein Grund dafür ist, dass der Betrieb nur mittels Energy Harvesting wegen der tiefen Datenrate und dem daraus resultierenden grösseren Energieverbrauch schwierig sein kann.

Grössen- und Kostenoptimierung

Auch wenn LPWAN-Systeme mehr Energie benötigen als WPAN-Systeme, ist es dennoch möglich, diese mittels Energy Harvesting zu betreiben. Ein Grund dafür ist, dass das Intervall einer regelmässigen Datenübertragung durch die Limitierungen des Providers relativ lange ist und somit genügend Zeit für die Energiegewinnung zur Verfügung steht. Um die Verwendung von grossen und teuren Harvesterschaltungen zu vermeiden, lohnt es sich, den Fokus auf ein möglichst effizientes Powermanagement zu legen. Die Hauptmotivation dieses Projektes war die Entwicklung eines auf LoRa basierenden LPWAN-Moduls, welches im Innen- und Aussenbereich funktioniert und als Basis für zukünftige Entwicklungen dienen sollte. Ebenfalls sollten mit dem System verschiedene Solarzellen getestet und bewertet werden können. Somit können optimale Grössen ermittelt und Kosten optimiert werden. Die Swisscom installiert zurzeit ein schweizweites, LoRa-basierendes LPWAN. Mit ihrem XXL-Angebot können 144 Pakete pro Tag versendet bzw. 14 Pakete empfangen werden. Dies bedeutet, dass alle 10 Minuten ein Paket übermittelt werden kann, was für viele Sensoranwendungen (Class A) absolut ausreichend ist.

Konzept und Design des Projekts

Die Hauptelemente des Designs sind Mikrocontroller, ein SX1272 Radio von Semtech, Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Beschleunigung, ein Powermanagement und eine Solarzelle von GCell, welche einfach ausgetauscht werden kann. Es wurde eine Single-Cell-Solarzelle verwendet, da diese im Falle von teilweiser Abdunkelung effizienter ist. Um eine Funktion mit möglichst kleiner Solarzelle zu gewährleisten, ist es wichtig, einen Aufwärtswandler und ein Powermanagement zu verwenden, welche nur einen geringen Teil der gesammelten Energie verbrauchen. Der Rest der Energie soll genau dann abrufbar sein, wenn sie auch benötigt wird. Dafür stehen beim verwendeten Powermanagement EM8500 von EM Microelectronics zwei Kondensatoren zur Verfügung. Zum einen gibt es einen Short Term Storage (STS) mit kleiner Kapazität, der schnell geladen ist und die Energie schnell bereitstellen kann. Ausserdem gibt es einen Long Term Storage (LTS) mit grösserer Kapazität, welcher den Hauptanteil der Energie speichern kann.

Weitere Energiegewinnung mit MPPT

Der EM8500 ist in der Lage, die minimale Solarzellenspannung von 0,3 V auf eine für die Schaltung passende Spannung zu erhöhen. Ausserdem gibt es ein konfigurierbares Maximum Power Point Tracking (MPPT), welches die Energiegewinnung noch weiter optimiert. Zugriff auf Informationen des aktuellen Zustandes der Speicherelemente und die Konfiguration über EPROM-Zellen machen dieses sehr effiziente Powermanagement zu einem wichtigen Bestandteil des Gesamtsystems.

STS und LTS wurden so dimensioniert, dass eine Messung und Übermittlung der Daten mit dem LoRa-Spreadingfaktor SF12 und +14 dBm Ausgangsleistung möglich ist. Da das System bei 3 V Speisespannung und +14 dBm Ausgangsleistung einen maximalen Strom von 40 mA benötigt, wurde zusätzlich eine Schaltung entwickelt, die diese Stromstärke ohne Einbruch der Speisespannung liefern kann.

Tests und aufschlussreiche Resultate

Die ersten Tests wurden in einer Lichtkammer durchgeführt, in welcher das Licht präzise zwischen 0 und 2000 Lux eingestellt werden kann. In diesem Fall wird die Solarzelle gleichmässig bestrahlt und die Ausgangsenergie wird maximal bei einer spezifischen Lichtstärke. Die Spannung am LTS muss normal nur einmal von 0 auf die erforderlichen 3,7 V aufgeladen werden. Danach wird die Spannung nicht mehr unter 2,4 V fallen, sofern eine konstante Lichtstärke von 600 Lux vorhanden ist. Falls dies jedoch nicht der Fall ist, wird die Spannung aufgrund des Verbrauchs, des Powermanagements und der internen Verlusten des LTS langsam sinken. Daher ist die interessante Ladezeit also jene von 2,4 auf 3,7 V. Diese beträgt bei einer Kapazität von 220 mF und einer Lichtstärke von 600 Lux genau 2912 s. Bei 2000 Lux dauert derselbe Vorgang nur 482 s. Die zur Verfügung stehende Energie zwischen den beiden Spannungsgrenzen beträgt somit 850 mJ, was mehr als genug ist, um Messungen durchzuführen und die Resultate mit SF12 und +14 dBm zu versenden. Nach den Messungen in der Lichtkammer, wurde das Modul nahe einem Fenster platziert. An einem sonnigen Tag wurden durchschnittlich mehr als 130 Pakete pro Stunde mit SF10 und +14 dBm an einen LoRa-Receiver am PC versendet. Auch Tests in einem Büroraum zeigten, dass eine Lichtstärke von 500 bis 700 Lux ausreicht, um alle 12 bis 15 min ein Paket mit SF10 und +14 dBm zu versenden. Dies ist wiederum sehr nahe an den Limitierungen von Swisscom.

Fazit

Wir haben in diesem Projekt ein LPWAN-Sensormodul entwickelt, das mit Solarenergie betrieben wird. Die Messwerte von diversen Sensoren lassen sich in verschiedenen Konfigurationen zu einem LoRa Gateway übertragen. Tests haben gezeigt, dass das Modul unter Sonnenlicht mehr als genug Energie sammelt und dies sogar an bewölkten Tagen. Auch bei Lichtverhältnissen wie in einem Büro gibt es genug Energie, um nahe der Netzwerklimitierungen mit SF10 zu arbeiten. Das Modul dient als Basis für weitere Tests und Optimierungen, speziell bei schwachen Lichtverhältnissen. Künftig möchten wir uns darauf konzentrieren, eine Version zu entwickeln, die Tag und Nacht funktioniert, sowie Optimierungen betreffend Grösse und Preis durchzuführen. 

Infoservice

Institute of Embedded Systems, InES
Technikumstrasse 9, 8401 Winterthur
Tel. 058 934 75 25, Fax 058 935 75 25
info.ines@zhaw.ch, www.zhaw.ch/ines



Komplettes System mit Solarzelle (aktive Fläche 140 × 24 mm) und der gesamten Elektronik mit LoRa-Modul und Chipantenne


Einfaches Blockschaltbild des Systems – die Spannung der Solarzelle wird mittels Aufwärtswandlern erhöht und die resultierende Energie im LTS gespeichert


Aufzeichnung von LTS-Spannung und Lichtstärke über einen ganzen Tag – die Variationen in der LTS-Spannung stellen die Übertragungen der Messdaten dar

Autoren

Manuel Brütsch, BSc ZFH, und Philipp Bachmann, BSc ZFH, Wissenschaftliche Assistenten, sowie Prof. Dr. Marcel Meli, Dozent und ­Schwerpunktleiter, marcel.meli@zhaw.ch, alle ZHAW-InES