Trådlösa sensorer blir allt vanligare, men ett stort problem är att hitta tillförlitlig energiförsörjning. Angelo Bosoni, och Tim Parker från Avnet Abacus beskriver här en lösning baserad på "energy harvesting", där många av de begränsande faktorerna kan minimeras.

Sensorer har blivit en del av vår vardag i hemmet, på jobbet, i industrin osv. De ger oss viktig information om hur saker fungerar runt omkring oss, övervakar och hjälper oss att bli mer effektiva.
Det finns en mångfald av sensorer för att mäta temperatur, rörelse, avstånd, tryck, vätskenivå, ljus, volym, vattenkvalitet och partiklar i luften, bara för att nämna några.

Trådlösa alternativ
I takt med att behovet av sensorer ökar, har efterfrågan på trådlösa alternativ blivit allt större. Detta drivs av applikationer där tillgängligheten är begränsad t ex vid extrema temperaturer, högt tryck etc, eller när det är svårt eller olämpligt att dra fram en kabel för strömförsörjning p g a långa avstånd, miljöpåverkan eller höga installationskostnader. Det har även skett ett ökat behov av sensorer inom fordonsindustrin, fabrikslokaler, affärslokaler, och inom jordbruk för att öka effektivitet, säkerhet och tillförlitlighet.
Det finns dock ett antal parametrar att överväga vid val av sensorlösning. Typen av applikation avgör vad som är lämpligast av trådbunden respektive trådlös sensor. Det första valet baseras naturligtvis på vad som skall mätas och därmed vilken typ av sensor som krävs. Utöver det måste konstruktören definiera rimlig responstid och noggrannhet för den aktuella applikationen, då olika produkter och tekniker varierar stort. Vid en trådlös applikation måste också intervallen då resultaten skall överföras definieras, då detta avsevärt påverkar livslängden hos batterierna. Man måste också ha i åtanke det geografiska avståndet som resultatet skall överföras mellan. Ju längre avstånd, desto högre effekt krävs för att överföra en signal. Slutligen måste man välja frekvensband för kommunikationen. Lagar och förordningar om vilka frekvensband som får användas varierar mellan olika länder.

Batterier begränsar
En stor nackdel när det gäller att implementera ett nätverk av trådlösa sensorer har varit den låga tillförlitligheten och begränsade livslängden på batterier för sensorn, sändaren, processorn och övrig kringelektronik.

EnerChip EP Energy Processor och EnerChip solid-state-batterier på utvärderingskortet EVAL-09. Detta kit har gränssnitt för olika typer av ”energy harvesting transducers” och omvandlar och lagrar energin samt levererar en reglerad utspänning.

Trådlösa sensornätverk använder batterier eller s k ”energy harvesting”-teknik för att strömförsörja enheterna. Nätverk där avståndet inte överstiger 300 m anses vara i ”micropower world”. Det är inom detta område som det har skett en stor utveckling av s k solid state-batterier med inbyggda kontrollkretsar för laddning. Dessa solid state-batterier kräver mindre utrymme än konventionella knappcellsbatterier och är designade för att hålla hela produktens livslängd, vilket eliminerar underhållskostnader i form av batteribyte som i vissa fall inte bara är dyrt utan också kan vara omständigt i svårtillgängliga miljöer. En rätt dimensionerad sensorlösning med den senaste tekniken inom strömsnåla sensorer, ”energy harvesting transducers”, och optimerad RF-länk möjliggör en underhållsfri konstruktion med lång livslängd.

Lång livslängd
”Energy harvesting”-baserade autonoma trådlösa sensorer kan bli kostnadseffektiva och bekväma. Att använda ”energy harvesting”-tekniken eliminerar en stor begränsning i utbredningen av trådlösa sensorer och ger en kraftkälla som kan ge tillräckligt med energi under flera år utan behov av batteribyte.
”Energy harvesting”-lösningar kräver lågeffektskretsar för styrning, energilagring och leverans av energi till övriga delar i den trådlösa sensorn. I de flesta fall kan en enskild ”transducer” eller energikälla inte ge tillräcklig energi under alla förhållanden för sensorns behov. Även om varje energikälla levererar energi under regelbundna intervaller kan de inte lagra den. Det innebär att när energikällan” är frånkopplad finns det ingen energi till sensorn. Utöver det så ger energikällan oftast inte den exakta spänning som sensorelektroniken kräver. Vid de tillfällen då data från sensorn skall överföras krävs dessutom ofta ett stort strömuttag under en kortare tid. Traditionell teknik med knappcellsbatterier och superkondensatorer har kraftiga begränsningar när det gäller antal uppladdning/urladdningscykler, självurladdning, och krav på laddström och laddspänning.
Cymbets EnerChip EP CBC915 är en processor med funktioner för laddning, energilagring, och hantering av lastreglering för en effektiv konstruktion av trådlös sensor. För att optimera hög effektivitet vid överföringen av energi från energikällan gör processorn en s k ”maximum peak power tracking” genom att emulera ”transducerns” impedans. Processorn sköter också startup-sekvensen av kretsarna, även från en kallstart utan laddning, och låter systemet agera därefter. I fig 1 visas EnerChip EP Energy Processor och EnerChip solid-state-batterier på utvärderingskortet EVAL-09. Detta kit har gränssnitt för olika typer av ”energy harvesting transducers” och omvandlar och lagrar energin samt levererar en reglerad utspänning.
Avnet Abacus har byggt upp en expertis och en franchiseportfölj för att kunna erbjuda kompletta applikationslösningar inom "energy harvesting" och sensorteknik. Utvärderingskiten från Cymbet är en bra utgångspunkt för att jämföra "energy harvesting"-metoder baserade på solceller, RF/EM, termiska metoder eller vibrationsmetoder tillsammans med halvledarbatterier.
Angelo Bosoni, marknadschef för sensorer och Tim Parker, marknadschef för batterier på Avnet Abacus.
 

Filed under: Embedded