Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

De enkla energiskördningstekniker som behandlas i denna artikel kan användas för att implementera underhållsfria trådlösa sensorer för kostnadseffektiva nätverk i tillämpningar som exempelvis smarta hem, fastighetsautomation och M2M-kommunikation.

Kostnaden för ett trådlöst nätverk beror visserligen främst på hårdvaran, men även andra faktorer bidrar. Dessa inkluderar kostnader för eventuell ytterligare hård- och mjukvara, certifiering enligt standarder som exempelvis Zigbee och Bluetooth samt royaltykostnader.

Den mängd energi som kan skördas av en trådlös sensor begränsas typiskt av kostnad och storlek. Därför är det viktigt att se till att den mängd energi som dras av sen­sorn och den trådlösa sändaren är lägre än den mängd som kan erhållas genom energi­skördning.

Det finns ett flertal källor från vilka ener­gi kan skördas, av vilka solenergi är den vanligaste. Solpaneler kommer i många olika storlekar, från stora paneler med många solceller till små celler som används för att driva produkter som exempelvis miniräknare och leksaker.

Bland övriga energikällor hittar vi radio­vågor som mottas av en antenn och omvandlas till elektrisk energi, och den elektromekaniska energi som skördas från en magnet som rör sig i närheten av en induktionsspole. Temperaturgradienter kan också användas för att ge termoelektrisk ener­gi med hjälp av Seebeck-effekten.

Vanliga trådlösa protokoll som Zigbee och Bluetooth är kanske de första man tänker på när man funderar på vilken trådlös teknik som bör användas för en energi­skördande konstruktion.

Alla konstruktioner behöver dock inte nödvändigtvis resultera i de kostnader och den komplexitet som användningen av ett trådlöst protokoll av industristandard medför. Valet kommer att baseras på den grad av kompatibilitet som krävs för varje konstruktion. Ett trådlöst headset till en mobiltelefon kommer exempelvis med största sannolikhet att behöva erbjuda bred kompatibilitet, medan en enkel RF-baserad fjärrkontroll varken kan eller behöver stödja kostnaden för kompatibilitet med andra tillverkares produkter.

Alla konstruktioner som innehåller en trådlös sensor kommer att behöva FCC- eller CE-certifiering så den kostnaden är gemensam. Kostnaden för certifiering enligt en specialiserad standard är dock normalt högre än kostnaden för FCC- eller CE-certifiering och underskattas ofta.

Den sammanlagda kostnaden för implementering av en trådlös standard handlar om mycket mer än de grundläggande hård- och mjukvarukostnaderna. Innan konstruktionen genomgår certifieringstestning måste den förmodligen genomgå en förberedande testprocedur. Det kan kosta kring 750 dollar i månaden att hyra den specialutrustning som krävs för sådana förberedande tester. Till det kommer kostnaden för själva certifieringen som normalt inkluderar kostnader för kompatibilitetstestning, profiltestning och verktyg för bestämning av lämplig hårdvara.

Tillsammans ger dessa tester en typisk kostnad för Zigbeecertifiering på runt 3 000 dollar. Därtill måste man lägga eventuella årliga medlemsavgifter liksom royalties som betalas per krets.

Certifieringens sammanlagda inverkan på kostnaden per enhet beror på tillverkningsvolymen.

Ta exempelvis en konstruktion med en hårdvarukostnad på runt 1 till 1,50 dollar per enhet och en tillverkningsvolym på 10 000 enheter. Med en beräknad kostnad på runt 10 000 dollar skulle certifiering enligt FCC i praktiken fördubbla produktens kostnad per enhet.

Kostnaden för certifiering enligt en RF-standard, med förberedande testing, certifieringsprocedur och RF-testutrustning, kan lätt öka kostnaden till över 10 000 dollar.

Effektiv styrning av strömförbrukningen är kritisk för en trådlös sensornod som drivs genom energiskördning och detta påverkar samtliga beslut i konstruktionsprocessen.

Särskild hänsyn måste tas till RF-sändningens konfiguration för att se till att det inte sker onödig kraftförbrukning isystemet. Parametrar som exempelvis moduleringssättet, bandbredden och RF-utgången till antennen, påverkar den sammanlagda kraftförbrukningen. Som en generell riktlinje gäller att kortare perioder av aktiv funktion resulterar i lägre genomsnittlig effektförbrukning. Detta innebär att man måste se till att samtliga kretsar som utnyttjas i konstruktionen, från en LED till en styrkrets eller sändare, ägnar maximal tid i energisnåla lägen.

Effektens relation till bandbredden
Högre datatakt drar mer kraft men har fördelen att de kortare paketlängderna minskar energiförbrukningen.

Också vilket moduleringssätt som utnyttjas har en avgörande roll för energiförbrukningen. ASK- eller OOK-modulering utnyttjar mind­re energi eftersom det finns perioder då RF-kraften minskar med ASK-modulering, eller är noll med OOK. Den genomsnittliga strömförbrukningen blir också lägre med ASK. Trots detta är FSK det moduleringssätt som föredras eftersom väsentligt hög­re datatakter då kan erhållas.

Om grundläggande envägskommunikation är allt som behövs kan konstruktionen använda en enkel RF-sändare; men om målsättningen är certifiering enligt en trådlös standard som exempelvis IEEE 802.15.4, är en specialstyrkrets att föredra.

Microchips PIC12LF1840T48A-styrkrets har exempelvis en integrerad sändare som stöder en datahastighet på 10 kbps i OOK-läge och 100 kbps i FSK-läge. Denna data sänds därför tio gånger snabbare med FSK-modulering än med OOK. Vid högre datahastighet kan en RF-mottagare även motta och avkoda FSK-signaler mycket mer effektivt än vid ASK-modulering.

Styrkretsens energisnåla avstängningslägen kan utnyttjas för att minimera energiförbrukningen. Den frekvens som sensorn måste sända data vid, beror på tillämpningens svarstid. Om tiden mellan de aktiva perioderna förlängs kommer styrkretsen att ägna mer tid i energisnålt läge, vilket därmed minskar den genomsnittliga kraftförbrukningen.

Strömförbrukningen bestäms också av den typ av data som sensorn infångar mellan sändningarna. Mottagning av data från operationsförstärkare och en lastcellbrygga kräver exempelvis relativt mycket ström jämfört med den ström som används vid sändning av RF-data.

Beräkning av energiförbrukningen
En konstruktion baserad på PIC12LF1840T48A kan få demonstrera hur energiförbrukningen beräknas. Kretsens integrerade sändare har en maximal frekvensavvikelse på högst 200 kHz, vilket möjliggör en maximal bitfrekvens på 100 kbps. Med ett litet datapaket med en 16-bitars inledning, ett 16-bitars synkroniseringsmönster och en 32-bitars nyttolast, tar det bara 640 µs att sända ett fullständigt datapaket. Om energin mäts i joule (J) ger detta:

1 J = 1 W · 1 s = 1 V · 1 A · 1 s

Den energiförbrukning som används för att sända ett datapaket beräknas enligt:

E = 10,5 mA · 640 µs →
10,5 mA · 3,0 V · 640 µs =
31,5 mW · 640 µS =
20,16 µJ

Det tar normalt 650 µs att starta ett kristall­oscilloskop, med en energiåtgång på 5 mA under starten. Energiförbrukningen för starten beräknas därför enligt:

E1 = 5 mA · 3,0 V · 650 µs = 9,75 µJ

Den datasändning som utnyttjas i demokonstruktionen innehåller en inledning på 16 bitar, synkroniseringsmönster på 16 bitar och 32 bitar data. För den valda bittakten på 100 kbps ger detta en sändningstid på 640 µs. För en RF-sändning på +0 dB vid 868 MHz, med FSK-modulering, blir strömförbrukningen 12 mA.

E2 = 12 mA · 3 V · 640 µs = 23,04 µJ

Med enkel sändning vid 10 kbps skulle ener­giåtgången bli:

E2 = 7,5 mA · 3 V · 6,40 ms = 144 µJ

Denna jämförelse visar hur stor skillnaden mellan i energiförbukning kan bli, och betonar nyttan av högre datatakter.

PIC12LF1840T48A-sändaren tar automatiskt paus och återgår till ett ener­gisnålt avstängningsläge efter att ha sänt den sista databiten. Med en minsta ”timeout”-period på 2 ms blir den extra ener­giförbrukningen:

E3 = 12 mA · 3 V · 2 ms = 72 µJ

Dessa beräkningar ger en sammanlagd ener­giförbrukning för sändningen av ett enda datapaket på:

E = E1 + E2 + E3 =
9,75 µJ + 23,04 µJ + 72 µJ
= 104,79 µJ

En solcell i miniatyrformat som genererar en utström på 4,5 µA vid 3 V måste vara aktiv under det antal sekunder som krävs för att få nog energi för en enda datasändning. Om en billig solcell används som exempel, med i bästa möjliga fall 3 V vid 40 µA, genereras endast en effekt på 120 µW:

3 V · 40 µA = 120 µW

Beräkningen av den mängd tid som krävs för att samla tillräcklig energi för att en enda datasändning är:

T = 104,79 µJ / 120 µW = 0,87 s

Detta visar att sensorenheten måste vänta i 0,87 sekunder mellan två efterföljande datasändningar förutsatt att solcellen har en konstant ljuskälla. I den verkliga världens tillämpningar är naturligt ljus, som är den främsta energikällan, bara tillgängligt under dagtid. Beräkningen måste därför utökas till att ta hänsyn till det faktum att skördningssystemet måste lagra energi som skördas under dagen så att denna kan utnyttjas nattetid. En annan faktor att beakta är att den energi som krävs för att utföra den faktiska sensormätningen inte inkluderats i exemplets beräkningar.

Det finns ett antal olika alternativ för att lagra den energi som skördas under dagtid. Två exempel är superkondensatorer eller billiga uppladdningsbara NiMH-batterier som droppladdas direkt från solcellen. I det fåtal tillämpningar där energikällan är konstant behövs eventuellt ingen energilagring.

Den främsta fördelen med att använda energiskördning i energisnåla trådlösa sensornoder är inte att det ger en omedelbar minskning av kostnaden per enhet, utan att det ger besparingar i underhållskostnader på längre sikt. Dessa besparingar är framför allt till hjälp om sensor­noderna finns på avlägsna platser, eller om nätverket har ett stort antal noder. I båda dessa fall kan energiskördning driva de trådlösa sensorerna nästan hur länge som helst och praktiskt taget utan mänskligt ingripande.

Energiskördning börjar bli en möjlig lösning för kraftmatning av trådlösa sensor­noder framför allt i nätverk som inte är baserade på nätverksstandarder som exempelvis Zigbee eller Wifi. Antalet energikällor ökar också: exempelvis ljus, värme, radiovågor, mekanisk energi och på sistone till och med blodsocker.

Framgångsrik implementering av energi­skördning för kraftmatning av en trådlös sensornod kräver noggrann styrning av den trådlösa sensorns sammanlagda strömförbrukning. Detta kan åstadkommas genom val av lämpligt kommunikationsprotokoll och datahastighet, och genom att man använder alla de energisparande funktioner som är integrerade i RF-kretsar som exempelvis Microchips PIC12LF1840T48A-styrkrets.