“في حين أن انتشار إنترنت الأشياء (IoT) أمر لا جدال فيه ، إلا أن عددًا قليلاً فقط من المنشورات حتى الآن ألهم الجمهور بشأن القضايا المتعلقة بإمدادات الطاقة ، ودعم العدد المتزايد بسرعة من أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال والاستقبال.
“
معرفتي
في حين أن انتشار إنترنت الأشياء (IoT) أمر لا جدال فيه ، إلا أن عددًا قليلاً فقط من المنشورات حتى الآن ألهم الجمهور بشأن القضايا المتعلقة بإمدادات الطاقة ، ودعم العدد المتزايد بسرعة من أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال والاستقبال.
تريليون رؤية مجسّة: تريليون تنبؤات بمستشعرات الرؤية
المستشعرات / السنة: مجسات / سنة
الشكل 1. توقع عدد أجهزة الاستشعار المنشورة في السنة
(المصدر: Sia and Tsensor.org 2015)
تأكيد النمو السريع لإنترنت الأشياء في منتدى المواد العالمي 2018 في نانسي ، فرنسا
وستكون المتطلبات العالية لتخزين البيانات ومعالجتها ونقلها من القضايا المهمة لاستدامة المشروع. لذلك ، فإن أي شكل من أشكال حصاد الطاقة مرحب به ما لم يكن إلزاميًا تمامًا.
تشمل الحلول المحتملة الشاملة لهذا التحدي ما يلي:
• تصميم منصات الأجهزة المدمجة منخفضة الطاقة للغاية
• نظام ذكي لإدارة الطاقة على مستوى النظام
• حصاد الطاقة من بيئة العمل لجعل المعدات ذاتية التشغيل
عند تنفيذ هذه المخططات ، يجب على مصممي الإلكترونيات أن يضعوا في اعتبارهم أن مستشعرات إنترنت الأشياء لا يجب أن تقيس القيمة فقط (بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة والتلوث ومستويات الضوء) ، ولكن يجب أيضًا توصيل هذه القيمة إلى مضيف نظامهم ، اللاسلكي عادةً ، إلى طاقة محدودة.
لتحقيق ذلك ، يجب مراعاة كل مكون على مستوى النظام في التصميم بشكل كامل ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار ، وأجهزة الاستقبال ، ومصادر الطاقة ، ودورات عمل الاتصالات.
يستكشف هذا المستند التعريفي التمهيدي كيف أن حلول ON Semiconductor الموفرة للطاقة تتيح التطبيقات الخالية من البطاريات باستخدام أحدث تقنيات الاستشعار المستمر.
بروتوكولات الاتصال وأجهزة الإرسال والاستقبال منخفضة الطاقة للغاية
تتمثل الخطوة الأولى في التصميم في تحديد جهاز إرسال واستقبال RF ذو طاقة منخفضة للغاية ويدعم البروتوكولات اللاسلكية لنقل المعلومات. يجب أن يدعم البروتوكول اللاسلكي المناسب الميزات التالية ويتضمنها:
• دعم مسافة نقل LAN
(حوالي عشرات الأمتار في الداخل)
• انخفاض استهلاك الطاقة من خلال الهندسة المعمارية
(تعمل الإطارات القصيرة وطاقة الإرسال المنخفضة على تقليل ميزانية طاقة وحدة المعالجة المركزية والراديو)
• دعم الإرسال الآمن (مثل التشفير)
• يوفر آلية استقبال بسيطة (منارة)
• يوفر تنفيذ الأجهزة سهلة الاستخدام
(مثل الواجهة المباشرة بين المستشعر وجهاز الإرسال والاستقبال)
• مستوى عال من التكامل (SiP أو شريحة واحدة)
• توفير بروتوكولات اتصال معيارية (نوع IEEE أو SIG) بما في ذلك إمكانية التشغيل البيني بين عقد المستشعر والبوابات
• تكلفة تنفيذ منخفضة لدعم توافر السوق الشامل
لحسن الحظ ، تقدم مجموعة الاهتمامات الخاصة بالبلوتوث (SIG) و Zigbee® Alliance الآن بروتوكولات لاسلكية تركز على تحسين البروتوكولات الخاصة بكل منهما لسنوات عديدة. نحن نقدم الآن تقنية Bluetooth 5 بالإضافة إلى بروتوكولات Zigbee Green Power المحسّنة من أجل مدة الإطار القصيرة والأمن وقوة الإرسال.
انقل جميع المعلومات المطلوبة للانضمام في أقل من 10 مللي ثانية (مللي ثانية). المفتاح هو كيفية تنفيذ هذه البروتوكولات مع الأجهزة المحسّنة للطاقة والاستفادة الكاملة من الجهد والموارد الحالية. صممت شركة ON Semiconductor الجهاز بناءً على خبرتها في وحدات التحكم الدقيقة منخفضة الطاقة للغاية وصوت المعينات السمعية ، بميزانية طاقة منخفضة تصل إلى 10 ميجاوات عند 6 ديسيبل ميلي واط. تتوفر الآن العديد من المنتجات لحل التحدي: يدعم NCS36510 بروتوكول Zigbee و RSL10 الذي يدعم تقنية Bluetooth منخفضة الطاقة. ينتج عن مجموعة البروتوكولات ومتطلبات تنفيذ الطاقة الذكية المعادلات التالية ، الموضحة في الشكل 2.
على أشباه الموصلات التكنولوجيا: على تكنولوجيا أشباه الموصلات
بروتوكولات إنترنت الأشياء ZIGBEE GP ؛ BLE UNB SubGHz: بروتوكول IoT ZIGBEE GP ؛ Bluetooth منخفض الطاقة UNB SubGHz
الحصادات: حصادات الطاقة
الشكل 2. “قاعدة عامة” لاستهلاك الطاقة في تطبيقات إنترنت الأشياء
اختيار مصدر حصاد الطاقة
تزودنا المعادلات في الشكل 2 بإرشادات لمتطلبات الطاقة لبروتوكولات الاتصال والاتصال الحديثة منخفضة الطاقة. كل ما تبقى هو اختيار مصدر الاستحواذ المناسب ونطاق الاستخدام. الوقت عامل آخر يجب مراعاته. قد تكون الطاقة الناتجة عن مخطط اكتساب مستمر منخفضة ، ولكن الغرض هو التراكم بمرور الوقت ، وبالتالي فإن عامل الكسب مهم. على سبيل المثال ، ينتج عن الحصول لمدة ثانية واحدة والإرسال لمدة 10 مللي ثانية ربحًا قدره 100. وبالمقارنة ، فإن الحصول لمدة 10 ثوانٍ والإرسال لمدة 5 مللي ثانية يؤدي إلى زيادة قدرها 2000. تدعم تقنية المكثف الكهربائي بشكل كامل تراكم الطاقة في نطاق الثواني.
حصاد الطاقة الشمسية
بأخذ راديو RSL10 Bluetooth 5 أو NCS36510 Zigbee system-on-chip (SoC) كمثال ، يمكننا حساب أنه أثناء نقل البروتوكول (الذي يستمر حتى 10 مللي ثانية) سنحتاج إلى حوالي 10 مللي أمبير. بالنسبة للتحويلات في الثانية ، يمكننا زيادة الربح بمقدار 100. إذا حدث الإرسال كل 10 ثوانٍ ، فسيكون الكسب 1000x. هذا يعني أنه يمكننا تعيين مصدر تيار 10 مللي أمبير / 100 = 100 _A أو 10 مللي أمبير / 1000 = 10 _A لمجمع الطاقة الشمسية.
ومن المثير للاهتمام أن الخلايا الشمسية مثل FlexRB-25-3030 من Ribes Tech توفر 16 _A عند 200 لوكس (لوكس) أو 80 _A عند 1000 لوكس. هذا هو بالضبط ما هو مطلوب.
العمل الجهد: العمل الجهد
العمل الحالي: العمل الحالي
أقصى جهد: أقصى جهد
أقصى تيار: أقصى تيار
min: الحد الأدنى للقيمة
النوع: القيمة النموذجية
الحد الأقصى: القيمة القصوى
لوكس: لوكس
التيار الحالي
الجهد: الجهد
تم قياس منحنى JV الموضح في الشكل عند 6500 كلفن باستخدام أنبوب فلورسنت بمصدر ضوء 1000 لوكس
الشكل 3. المواصفات الكهربائية لـ FlexRB-25-7030 من Ribes Tech ، FlexRB-20-6030
سيسمح لنا استخدام خلية شمسية مثل FlexRB-25-3030 من Ribes Tech بتوفير مستشعر مستقل يرسل إطارات Bluetooth منخفضة الطاقة أو Zigbee بدورة عمل من 1 إلى 10 ثوانٍ.
ظروف الإضاءة المشتركة
تتميز معظم الخلايا الشمسية بمجموعتين من ظروف الإضاءة: 200 لوكس و 1000 لوكس.تغطي هذه الظروف مجموعة كبيرة من الإضاءة اليومية كما هو موضح في الجدول أدناه
الجدول 1. ظروف تشغيل الإضاءة المشتركة
* تم القياس باستخدام تطبيق Luxmeter الخاص بـ Velux والذي يعمل على جهاز iPhone® 6.
** لا يُنصح بهذا كشرط عمل للتكوين الفعلي.
مجال القياس المستمر
بناءً على المعلومات المذكورة سابقًا في هذا المستند ، يمكننا البدء في دراسة سلوك نظام الاستحواذ بأكمله. يجب أن تكون هناك مرحلة تحميل مسبق للطاقة بحيث يحصد الجهاز الطاقة من الخلية الشمسية قبل تشغيل الاتصال الأول. سيوضح القسم التالي (التحديات الفنية) العديد من النصائح والإرشادات للتنفيذ الناجح. بمجرد أن يلتقط الجهاز ما يكفي من الطاقة ويخزنها ، يجب على المتحكم الدقيق (MCU) تعيين معلمات الاتصال وطاقة الإرسال واختيار القناة وقياس درجة الحرارة.
سيتم الحصول على هذا النشاط عندما يكون MCU نشطًا في الغالب ، لذلك يجب أن تكون الطاقة المخزنة عالية بما يكفي لنقل أكبر عدد ممكن من إطارات المنارة.
التحميل المسبق: التحميل المسبق
الشكل 4. عرض استهلاك الطاقة المفاهيمي في ظل ظروف إضاءة معينة
مع دورة عمل مدتها ثانيتان ، يمكننا تنفيذ عقدة مستشعر خالية من البطاريات قادرة على قياس المعلمات المتغيرة ببطء (على سبيل المثال ، الرطوبة ودرجة الحرارة والضغط الجوي ومعلمات الغرفة وشدة الضوء).
التحديات التقنية والتنفيذ
انضم
تتمثل الخطوة الأولى في تحديد IC للاتصالات ومعالجة البيانات التي يمكنها دعم بروتوكول الاتصال المطلوب ولديها ميزانية طاقة متاحة يحددها جهاز الحصاد. في معظم الحالات ، يكون الجهاز المحدد مطلوبًا لدعم وضع الاستعداد الموفر للطاقة وأوضاع السكون العميق لتوفير الطاقة عند عدم الحاجة إلى أي عملية. لتبسيط توصيل الطاقة ، يفضل استخدام الأجهزة ذات الحد الأدنى من جهد الدخل أو نطاق جهد الدخل الواسع. بهذه الطريقة ، يمكن استخدام منظم باك أو منظم خطي بسيط لتنظيم أو الحد من جهد النظام.
تنطبق متطلبات مماثلة على أجهزة الاستشعار المستخدمة في النظام. إذا تعذر توفير وضع السكون ، فيمكن تنفيذ بوابة الطاقة لتعطيل طاقة المستشعر عندما لا يكون الاستشعار مطلوبًا.
تخزين الطاقة
القسم التالي الذي يجب مراعاته هو تخزين الطاقة وإدارة الطاقة لأجهزة الاستشعار ووحدات التحكم الدقيقة. من أجل تخزين الطاقة المحصودة ، هناك طرق مختلفة ممكنة. تعتمد الطريقة الأنسب على متطلبات التطبيق المستهدف. عادة ، يمكن استخدام المخططات القائمة على المكثف أو البطارية.
تتمتع الحلول القائمة على المكثفات عمومًا بقدرة إجمالية أقل من حلول البطاريات بنفس الحجم بسبب كثافة طاقتها المنخفضة. هذا يجعل البطاريات أكثر ملاءمة لأجهزة الاستشعار التي تحتاج إلى البقاء لفترات طويلة من الوقت بدون مصدر ضوء.
قطعة راجون للأجهزة الكهروكيميائية: قطعة راجون للأجهزة الكهروكيميائية
خلايا الوقود: خلايا الوقود
بطارية الرصاص الحمضية: بطارية الرصاص الحمضية
بطارية NICd: بطارية NICd
بطارية الليثيوم: بطارية ليثيوم
مكثفات طبقة مزدوجة: مكثفات طبقة مزدوجة
المكثفات الفائقة: المكثفات الفائقة
مكثفات الالومنيوم الالكتروليتى: مكثفات الالومنيوم الالكتروليتى
كثافة الطاقة: كثافة الطاقة
المصدر وكالة لوجستيات الدفاع الأمريكية: المصدر وكالة لوجستيات الدفاع الأمريكية
الشكل 5. يساعدنا مخطط Ragone في اختيار تكنولوجيا تخزين الطاقة المناسبة
يتمثل التحدي الذي يواجه الأنظمة القائمة على البطاريات في أنها تتطلب غالبًا أنظمة إدارة طاقة أكثر تعقيدًا. يتضمن ذلك التحكم في الشحن والتفريغ وحماية البطارية ضد الشحن الزائد والتفريغ الزائد. يؤدي هذا إلى زيادة تعقيد النظام بالإضافة إلى فاتورة المواد (التكلفة) ، حيث تتضمن أنظمة إدارة الطاقة عادةً تبديل المنظمين (خامل إضافي) وينتج عنه IC أكثر تعقيدًا بسبب الوظيفة المطلوبة. غالبًا ما يؤدي تعقيد الشريحة ومتطلبات الكفاءة العالية للطاقة والتيار الهادئ المنخفض إلى حلول IC باهظة الثمن إلى حد ما.
قد تكون الحلول القائمة على المكثفات حلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة في التطبيقات التي لا تتطلب أوقات تشغيل أطول دون التعرض للضوء. يقوم مكثف التخزين بتجميع الطاقة مؤقتًا من جهاز الحصاد الشمسي حتى تتوفر طاقة كافية لإجراء القياسات ونقل النتائج. عند استخدام مكثفات ذات معدلات جهد مناسبة ، لا يلزم وجود دائرة شحن. يحدد جهد الدائرة المفتوحة للمجمع الشمسي المستخدم عند تعرضه لسطوع الذروة المتوقع أقصى جهد دخل. إذا تجاوز معدل جهد المكثف جهد الدائرة المفتوحة ، فلا داعي لدائرة شحن أو حماية.
بالنسبة لكل من الحلول القائمة على البطارية والمكثف ، يجب تنظيم جهد الخرج لتوفير الجهد المناسب للدوائر المتصلة (أجهزة الاستشعار ، وأجهزة التحكم الدقيقة ، وما إلى ذلك). تحقق الأنظمة التي تستخدم خيارات التخزين القائمة على الليثيوم الفولتية فوق 4 فولت ، والتي غالبًا ما تكون خارج نطاق جهد الإدخال لأجهزة الاستشعار والميكروكونترولر. لمطابقة جهد الإمداد ، والذي يتراوح عادةً بين 1.8 و 3.3 فولت ، يلزم إجراء تحويل تدريجي. في الأنظمة القائمة على المكثف ، يرتبط الجهد خطيًا بكمية الشحنة المخزنة. يمكن أن يتسبب هذا في اختلافات كبيرة في الجهد خلال دورة التفريغ ، والتي لا يمكن أن تقبلها جميع أجهزة الاستشعار أو وحدات التحكم الدقيقة ، لذلك هناك حاجة إلى نوع من منظم الجهد لتثبيت مصدر الطاقة.
الشكل 6. RSL10 الخلايا الشمسية متعددة أجهزة الاستشعار المجلس
تعد لوحة RSL10 الشمسية متعددة المستشعرات (RSL10-SOLARSENS-GEVK) منصة تطوير شاملة لتطبيقات إنترنت الأشياء الخالية من البطاريات بما في ذلك المباني الذكية والمنازل الذكية والصناعة 4.0. استنادًا إلى راديو Bluetooth منخفض الطاقة الأقل قوة في الصناعة (RSL10) ، تحتوي اللوحة على مستشعرات متعددة لاستشعار درجة الحرارة والرطوبة (BMA400 – مقياس تسارع ذكي ثلاثي المحاور ، BME280 – مستشعر البيئة الذكية ومستشعر درجة الحرارة الرقمية NCT203).
تتميز اللوحة أيضًا بتكلفة منخفضة جدًا تبلغ 47__F ، ومكثف تخزين منخفض الوزن ورقيق ، وواجهة برمجة وتصحيح الأخطاء ، وخلية شمسية متصلة.
نظرًا لأن الجهاز يحصد الطاقة من مصدر تيار منخفض ، فمن المهم أن يكون تيار التسرب للنظام بأكمله صغيرًا عند التشغيل وحصاد الطاقة. تم اختيار العديد من الأجهزة الذكية لهذا الغرض ، بما في ذلك LDO الحالي المنخفض للغاية والهادئ على متن الطائرة (NCP170).
PV CELL: خلية ضوئية
التحميل: الحمل
10Vmax Capacitor: 10 V مكثف كحد أقصى
CLAMP: مشبك
منارة RSL10 مع مؤقت 10s + 2s: منارة RSL10 مع مؤقت 10s + 2s
الشكل 7. رسم تخطيطي مفاهيمي للوحة أجهزة الاستشعار المتعددة
إعلان BLE5.0: إعلان Bluetooth منخفض الطاقة 5.0
البوابة: بوابة
سحابة: سحابة
الشكل 8. نظرة عامة كاملة على النظام بما في ذلك أجهزة الاستشعار والبوابات والخدمات السحابية
مع قائمة الأصول هذه ، فإن نطاق التطبيقات المحتملة واسع ، دعنا نلقي نظرة سريعة عليها:
بناء ذكي:
التحكم في المناخ (البيئة)
كشف كسر النوافذ (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
أتمتة المباني (بمقاييس تسارع بيئية وثلاثة محاور)
كشف انكسار الباب (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
تقرير حالة تبديل الباب (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
مراقبة إشغال غرف الاجتماعات (باستخدام مقاييس تسارع بيئية وثلاثة محاور)
المنزل الذكي
التحكم البيئي (البيئة)
أدوات التحكم في السقف والنافذة (مقاييس التسارع المحيطة وثلاثة محاور)
كشف عن كسر النوافذ (التسلل) (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
الصناعة 4.0 / المدن الذكية
كشف تلوث الهواء (البيئة)
سلامة العمال (كلا من مقاييس التسارع البيئية و 3 محاور)
المراقبة الأمنية (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
الصحة المتنقلة
مستشعر متكامل / محمول (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
خوذة نشطة للدراجة / الدراجة النارية (مقياس تسارع ثلاثي المحاور)
الشكل 9. عرض توضيحي لمستشعر نافذة بدون بطارية في Embedded World 2019
إعداد الأجهزة والتحسين
تستخدم لوحة المستشعرات المتعددة الخلايا الشمسية RSL10 ON Semiconductor RSL10 لمعالجة بيانات القياس ونقل النتائج في حزم إعلانات Bluetooth منخفضة الطاقة. يمكن تلقي حزم البيانات للتصور باستخدام هاتف ذكي أو أي جهاز آخر يعمل بتقنية Bluetooth منخفض الطاقة.
سيتم استخدام المكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم كمخزن رئيسي للطاقة. تتميز حصادات الطاقة الشمسية بنطاق جهد دائرة مفتوحة من 3 إلى 6 فولت ، لذلك يمكن استخدام حوالي 10 مكثفات مصنفة في الدائرة دون أي لقط أو حماية. في الدائرة ، يتم شحن المكثف مباشرة من خلال عنصر الحصاد الشمسي ، ولا يتطلب سوى صمام ثنائي شوتكي على التوالي. إن وضع هذا الصمام الثنائي يمنع الحصاد من تفريغ المكثف. سنناقش سعة المكثف لاحقًا ، حيث إنها تعتمد على عدة جوانب أخرى تمت مناقشتها في أقسام لاحقة.
يحتوي RSL10 SoC على منظم تنازلي متكامل DC-DC ، مما يسمح للرقاقة بالعمل على نطاق واسع من جهد الإدخال (1.1 إلى 3.3 فولت) دون الحاجة إلى منظمات إضافية. نظرًا لأنه في الظروف الساطعة جدًا ، قد يتجاوز المجمع الشمسي المستخدم الحد الأقصى لتصنيف الجهد لـ RSL10 ، يتم استخدام منظم خطي كمحدد للجهد. إذا تجاوز جهد الدخل 3.3 فولت ، فإن المنظم ينتج جهد إمداد ثابت. إذا كان الجهد أقل من 3.3 فولت ، فسيمرر المنظم جهد المكثف بدون تنظيم. نظرًا لأن المنظم يستخدم فقط عندما يكون هناك “الكثير” من الطاقة المتاحة ، فلا توجد مشكلة في تحويل الطاقة الزائدة إلى حرارة. إذا زاد الطلب على الطاقة ، سينخفض جهد المكثف ، ولن يعمل المنظم بعد الآن و “يهدر” الطاقة. ومع ذلك ، فإن بساطة المنظم ينتج عنه تيار هادئ أقل. هذا ضروري لأنه سيساعد في الحفاظ على الطاقة المتاحة في حالات الإضاءة المنخفضة. يوضح الشكل 10 سيناريو تشغيل نموذجي ، يحد من الجهد عند استهلاك أقل للطاقة. عندما ينخفض جهد المكثف إلى أقل من 3.3 فولت (بسبب تبديد الطاقة العالي) ، يتوقف منظم LDO عن العمل ويسمح للجهد بالمرور مباشرة.
مكثف الجهد: مكثف الجهد
جهد إمداد MCU المحدود: جهد إمداد MCU محدود
الشكل 10. تحديد الجهد باستخدام منظم LDO
عندما يتم تفريغ النظام بالكامل ثم تعريضه للضوء ، سيرتفع جهد المكثف ببطء مع تراكم الشحنة. بشكل افتراضي ، سيحاول RSL10 بدء التشغيل بمجرد أن يصل إلى جهده الأدنى (~ 1 فولت). إنه يعمل فقط إذا كان المجمع الشمسي يوفر باستمرار الطاقة المطلوبة لبدء التشغيل للحفاظ على جهد المكثف عند 1 فولت. إذا كان المجمع الشمسي يوفر طاقة أقل من المطلوب ، سينخفض جهد المكثف. عندما ينخفض الجهد إلى ما دون عتبة ~ 1 فولت ، يفشل بدء التشغيل لأن RLS10 سيتم إيقاف تشغيله. يتكرر هذا التسلسل عندما يكون ناتج الطاقة للمجمع الشمسي أقل من استهلاك RSL10 أثناء بدء التشغيل.
نظرًا لأن الحصادات لا يمكنها عادةً إنتاج نفس القدر من الطاقة في جميع الظروف (الخفيفة) ، يلزم وجود دائرة بدء التشغيل لضمان بدء التشغيل الموثوق به.
تضمن الدائرة المستخدمة في هذا العرض التوضيحي أن مكثف التخزين مشحون مسبقًا بشكل كافٍ قبل تشغيل RSL10 والأجهزة الأخرى. لضمان بدء تشغيل ناجح ، يحتاج مكثف التخزين إلى الحفاظ على الطاقة المطلوبة لبدء تشغيل النظام بالكامل. في حالة الاستخدام الخاصة بنا ، فإن بدء التشغيل هو التسلسل من التشغيل الأولي إلى النقطة الزمنية التي يمكن للنظام فيها الدخول في وضع السكون العميق.
يمكن قياس الطاقة المطلوبة لأداء هذا التسلسل. حدد الحد الأدنى لحجم المكثف المطلوب بناءً على الطاقة المطلوبة ونطاق جهد الإدخال النموذجي للميكروكونترولر. بالنسبة للتطبيق المقترح المستند إلى RSL10 ، يلزم بدء تشغيل ~ 120 _J. إلى جانب نطاق الجهد المطلوب من 1.5 إلى 3 فولت ، ينتج عن ذلك سعة نظرية دنيا تبلغ 35.6 _F. من الناحية العملية ، يجب استخدام المكثفات الأكبر للتعويض عن التغيرات في السعة بسبب عوامل مثل تفاوتات التصنيع ، أو درجات حرارة التشغيل المختلفة ، أو تقادم المكونات.
ابدأ الدائرة وعقدها
لتمكين وتعطيل مصدر الطاقة لـ RSL10 ، استخدم إشارة التمكين لمنظم LDO المثبت. يتم إنشاء الإدخال المُمكّن بواسطة مصدرين. يتم إنشاء المصدر الأول بواسطة مشرف الجهد IC (MAX809 من ON Semiconductor) المدعوم بجهد إدخال مكثف ، والذي يمكّن منظم LDO بمجرد أن يتجاوز جهد المكثف 2.63 فولت. يتم استخدام الإدخال الثاني للتأكد من أن دبوس التمكين يحافظ على جهد الخرج مرتفعًا بدرجة كافية. اعتمادًا على الحد المطلوب ، يمكن استخدام عتبة إيقاف التشغيل الافتراضية لـ LDO (> 1.2 فولت لـ NCP170 ؛ يتم قياسها عند 1.5 فولت تقريبًا). في هذه الحالة ، يتم إرجاع جهد خرج LDO إلى دبوس التمكين. إذا كانت هناك حاجة لجهد فصل أعلى ، فيمكن إضافة مشرف جهد إضافي مع عتبة> 1.5 فولت ، مما سيمكن السحب لأسفل بمجرد أن ينخفض خرج LDO عن العتبة التي حددها مشرف الجهد. يوضح الشكل 11 التخطيطي لدائرة بدء التشغيل المستخدمة. U3 هو جهاز مراقبة الجهد الثانوي ، والذي يمكن تحديده بناءً على جهد العتبة المطلوب للإغلاق.
بدء التشغيل وتنظيم الجهد: دائرة بدء التشغيل وتنظيم الجهد
LDO كدائرة تثبيت نشطة ومفتاح طاقة: LDO كدائرة تحامل نشطة ومفتاح طاقة
مكثف التخزين: مكثف التخزين
عتبة التشغيل: عتبة التشغيل
(اختياري) عتبة إيقاف التشغيل: (اختياري) عتبة إيقاف التشغيل
الشكل 11. رسم تخطيطي لدائرة بدء التشغيل
في الشكل 12 ، يمكن ملاحظة سلوك دائرة بدء التشغيل. قبل النقطة أ ، يرتفع جهد المكثف ببطء حتى يصل إلى 2.63 فولت عند النقطة أ. مشرف الجهد لديه تأخير داخلي يؤخر الوقت الفعلي بواسطة tD ، وهو ما بين 140-460 مللي ثانية للجهاز المستخدم. بعد تأخير ، سيتم تنشيط طاقة MCU. عندما يكون جهد إمداد MCU أعلى من ~ 1.5 فولت ، يمكن للنظام أن يعمل بشكل طبيعي. بمجرد انخفاض الجهد إلى أقل من 1.5 فولت (النقطة ب) ، يتم تعطيل جهد إمداد MCU لأن عتبة دبوس التمكين الخاصة بـ NCP170 المستخدمة هي 1.5 فولت. بعد ذلك ، يجب أن يرتفع جهد المكثف فوق 2.63 فولت مرة أخرى لإعادة تمكين طاقة MCU.
جهد مكثف التخزين: جهد مكثف التخزين
جهد إمداد MCU: جهد إمداد MCU
الشكل 12. سلوك حلبة بدء التشغيل
يحتوي اللوح على مستشعرات لدرجة الحرارة وجودة الهواء والتسارع. تدعم جميع أجهزة الاستشعار وضع السكون لتقليل استهلاك الطاقة عند عدم الحاجة إليها. لتجنب تغير جهد المكثف الذي يؤثر سلبًا على الحصول على البيانات ، تم استخدام جهد إمداد مستشعر مستقر يبلغ 1.8 فولت. يمكن تعطيل جهد إمداد المستشعر لتقليل الاستهلاك الحالي بشكل أكبر. واجهات المستشعر مع RSL10 SoC عبر ناقل I2C.
في أوضاع التشغيل المدعومة بأجهزة استشعار درجة الحرارة ومقاييس التسارع ، يمكن لأجهزة الاستشعار مراقبة الظروف المادية الخاصة بكل منها دون تفاعل RSL10. في هذا الوضع ، سوف يستيقظ المستشعر RSL10 باستخدام خط مقاطعة مخصص إذا كانت القيمة المراقبة خارج النطاق المحدد مسبقًا أو في حالة حدوث ظروف مبرمجة أخرى.
الشكل 13. RSL10 الخلايا الشمسية متعددة أجهزة الاستشعار المجلس
الحجم النهائي لثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام تصميم من طبقتين هو 24 × 51 مم ، مع وجود جميع المكونات في الجانب العلوي لتتمكن من الاتصال بجهاز الحصاد الشمسي في الخلف.
يمكن توصيل مجمعات الطاقة الشمسية بالطرق التالية:
• استخدم موصلات 100 ميل على الجانب الأيسر من اللوحة
• موصل ZIF ذو 4 سنون 1 مم على الجانب الأيمن من اللوحة
• تسمح الوسادات الموجودة على جانبي اللوحة بالاتصال المباشر باللوحات أو الموصلات الأخرى
الشكل 14. عقدة أجهزة استشعار متعددة خالية من البطاريات تم عرضها في EWC 2019
إعداد البرامج الثابتة والتحسين
يتمثل السلوك المقصود للوحة الشمسية RSL10 في قياس المعلمات البيئية ونقلها في حزم إعلانات Bluetooth منخفضة الطاقة. يعتمد الفاصل الزمني بين القياسات والإرسال على الطاقة المتاحة. تحتاج البرامج الثابتة إلى مراقبة الطاقة المتاحة وتعديل حالة طاقة النظام لتحسين أداء النظام.
عند بدء تشغيل النظام ، يقوم RSL10 بتهيئة جميع الأجهزة الطرفية وموارد الساعات ونطاق أساسي Bluetooth منخفض الطاقة. تعد هذه الخطوات ضرورية لإتاحة جميع حالات الطاقة في RSL10. لتوفير الطاقة ، تظل جميع الأجهزة الطرفية غير المستخدمة معطلة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إيقاف تشغيل طاقة المستشعر قبل أن يتطلب القياس الفعلي.
بعد تهيئة RSL10 ، يحتاج النظام إلى تحديد ما إذا كان لديه طاقة كافية متبقية لإجراء قياسات معينة ، أو إذا كان من الضروري الدخول في وضع السكون العميق للطاقة المنخفضة للغاية لشحن مكثف التخزين إلى مستوى جهد أعلى. لتحديد الطاقة المتاحة حاليًا ، يمكن لـ RSL10 قياس جهد الإمداد. يشير الجهد البالغ 3.3 فولت إلى أن المكثف ممتلئ وأن LDO يحد بالفعل من جهد الخرج. بالنسبة لجهد الإمداد أقل من 3.3 فولت ، يقيس RSL10 جهد المكثف مباشرةً ويمكنه تحديد محتوى الطاقة.
إذا كانت الطاقة غير كافية لإجراء القياسات المطلوبة ، يدخل RSL 10 في وضع السكون العميق. في هذا الوضع ، تكون الطاقة التي يستهلكها RSL10 في حدود 62.5 nW ويمكن شحن مكثف التخزين حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة. في وضع السكون العميق ، يتم تعطيل الأجهزة الطرفية لـ RSL10. يتم حجز جزء من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) من أجل الحفاظ على حالة النظام المتغيرة أثناء وضع السكون العميق. الاستيقاظ من النوم العميق أسرع بكثير من التمهيد الكامل ويتطلب طاقة أقل بكثير.
بعد فترة زمنية محددة في وضع السكون العميق ، يستيقظ RSL10 للتحقق من أن مكثف التخزين قد تراكم طاقة كافية لإجراء القياسات ونقل البيانات. يتم تحديد عتبة الطاقة التي تحدد ما إذا كان القياس ممكنًا بشكل تجريبي. إذا كان مستوى الطاقة لا يزال غير كافٍ ، ينتقل RSL10 إلى وضع السكون العميق مرة أخرى.
إذا كانت الطاقة المتاحة كافية لإجراء قياس ، فقم بتمكين الطاقة للمستشعر وتهيئة واجهة I2C. عبر I2C ، يتم تكوين المستشعر لإجراء قياساته. بمجرد اكتمال القياس ، تتم قراءة النتائج مرة أخرى ونسخها في حزمة الإعلان المستخدمة لنقل بيانات القياس.
ثم يتم إرسال حزم الإعلانات التي تحتوي على القياسات. بعد الإرسال ، يدخل RSL10 في وضع السكون العميق للحد الأدنى من الفاصل الزمني المطلوب للإرسال. ثم يتم تكرار التسلسل ، بدءًا من تحديد الطاقة المتاحة بعد الاستيقاظ.
اعتبارات بلوتوث منخفضة الطاقة:
يعد اختيار إرسال بيانات المستشعر المقاسة إلى الأجهزة الأخرى عبر Bluetooth Low Energy باستخدام حزم الإعلانات الطريقة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. يسمح ذلك لمجمع الألواح الشمسية RSL10 باستهداف جميع أجهزة Bluetooth منخفضة الطاقة القريبة التي يقوم بمسحها دون الحاجة إلى إنشاء اتصال والحفاظ عليه. بالإضافة إلى ذلك ، يرسل المجمع الشمسي البيانات في وضع البث ، موضحًا أنه لا يمكّن جهاز الاستقبال بعد إرسال كل حزمة إعلانية. يوفر هذا استهلاكًا إضافيًا للطاقة على حساب عدم الاتصال وعدم القدرة على إرسال حزم استجابة المسح الضوئي ، مما يزيد من الحد الأقصى لبيانات الإعلان من 31 بايت إلى 62 بايت. اعتمادًا على متطلبات التطبيق ، قد يكون الإعلان في وضع الاتصال مطلوبًا للسماح لأجهزة معينة بتكوين معلمات عقدة المستشعر مثل الفاصل الزمني المفضل للإعلان وفاصل القياس المفضل.
للتغلب على قيود حزم الإعلانات الصغيرة التي تسمح فقط بـ 31 بايت من البيانات ، من الممكن التبديل بين حمولات الإعلانات المختلفة لكل فترة إعلان. يمكن استخدام هذا لإرسال إطارات بيانات مستشعر مخصصة في حزمة إعلان واحدة ، متبوعة بإطارات Eddystone Beacon URL في حزمة الإعلان التالية. يمكن استخدام حزم عنوان URL لـ Eddystone للارتباط بصفحات الويب بمعلومات إضافية وتوفير تطبيقات قابلة للتنزيل لعرض بيانات المستشعر.
على عكس الأجهزة المتصلة للخدمات المدركة للسياق المحددة بواسطة Bluetooth SIG ، لا يوجد تنسيق موحد لنقل بيانات المستشعر المختلفة باستخدام حزم الإعلانات فقط.
بهذه الطريقة ، يتم استخدام إطار بيانات الإعلان المخصص لنقل بيانات المستشعر إلى جهاز المسح. تتطلب هذه الأجهزة برامج أو تطبيقات متخصصة قادرة على تحليل ومعالجة محتوى هذه الحزم الإعلانية. في حالات الاستخدام الصناعي حيث تتم إدارة البنية التحتية بالكامل بواسطة كيان واحد ، قد لا يمثل ذلك مشكلة ، ولكن إذا تم تطبيقه على سوق قد يتطلب تعاون المعدات من بائعين متعددين ، فقد يؤدي ذلك إلى مشكلات قابلية التشغيل البيني.
تنفيذ البرامج الثابتة
بناءً على السلوك أعلاه ، طورت ON Semiconductor البرنامج الثابت للوحة الخلايا الشمسية متعددة المستشعرات RSL10.
يوفر ON Semiconductor بيئة تعتمد على Eclipse ، وهي مجموعة أدوات تطوير البرامج RSL10 (SDK) ، لتطوير البرامج على أساس النظام الأساسي RSL10. يحتوي RSL10 SDK على بيئة تطوير متكاملة تمامًا مع محرر قوي وسلسلة أدوات ووثائق وعينات متنوعة من الرموز وحزم البرامج المستندة إلى CMSIS-Pack.
الشكل 15. مجموعة أدوات تطوير البرامج RSL10 (SDK)
يمكن تكوين البرنامج الثابت باستخدام محرر معالج تكوين CMSIS المضمن مع RSL10 SDK ، كما هو موضح في الشكل 16. باستخدام الواجهة الرسومية لتقديم وصف مفصل لكل معلمة وللتحقق من النطاق الصحيح لقيم الإدخال ، يمكن تغيير المعلمات المطلوبة لتقييم تكوينات البرامج المختلفة بسرعة. . بالنسبة للحالات التي تتطلب تغييرات أكثر تعقيدًا للتقييم ، يتم توفير رمز المصدر ومثال المشاريع في حزمة CMSIS.
الشكل 16. عرض المعلمات القابلة للتكوين في معالج تكوين CMSIS
يوضح الشكل 17 السحب الحالي للوحة أثناء حدث قياس المستشعر ، متبوعًا بالإعلان عن بيانات القياس. خلال هذا الحدث ، تم استخدام إجمالي 60 _J من الطاقة لقياس بيانات المستشعر ونشر النتائج. إذا لم تتم جدولة قياسات المستشعر وأعلنت اللوحة فقط ، فسيتم تقليل استهلاك الطاقة إلى 20 _J.
الشكل 17. دورة التشغيل النموذجية لقياس الاستشعار والإعلان
(إمداد 3 فولت ، فاصل إعلان مضبوط على 1 ثانية ، قياسات المستشعر خلال كل فترة إعلان)
تلقي بيانات منارة
تعلن لوحة RSL10 Solar Multi-Sensor Board عن بيانات المستشعر كجزء من البيانات المحددة لحزمة إعلانات الشركة المصنعة جنبًا إلى جنب مع شعار Bluetooth Low Energy والاسم المحلي الكامل للوحة. يتيح ذلك الوصول إلى بيانات المستشعر من جميع الأجهزة التي تعرض البيانات الخاصة بالشركة المصنعة للتطبيقات ، بما في ذلك أجهزة Android و IOS.
في هذه الحالة ، قم بتوصيل دونجل RSL10 USB (RSL10-USB-001-GEVK) بالكمبيوتر المضيف لعرض بيانات المستشعر الملتقطة. استخدم دونجل RSL10 USB مع روابط Python والبرنامج المضمن Bluetooth Low Energy Explorer لإنشاء نص برمجي بسيط يقوم بالمسح بحثًا عن أجهزة Bluetooth منخفضة الطاقة القريبة ويعرض بيانات المستشعر عندما يكون لديهم بيانات إعلانية متطابقة.
الشكل 18. عرض بيانات جهاز الاستشعار التي تم التقاطها بواسطة دونجل RSL10 USB
لخص
من خلال هذه المنصة المرجعية ، أثبتت ON Semiconductor أنه من الممكن تمامًا تصنيع عقدة مستشعر صغيرة الحجم منخفضة التكلفة ، مدعومة بالكامل بالطاقة الشمسية ، مع إمكانات تشمل المراقبة المستمرة للمستشعر ونقل البيانات إلى بوابة سحابية. ستستفيد حالات الاستخدام المتعددة بشكل كبير من التقنيات والقدرات الجديدة لمنصة RSL10 متعددة المستشعرات الشمسية ، بما في ذلك المباني الذكية وإدارة المدينة والصحة المتنقلة. يستخدم المطورون النظام الأساسي لإنشاء تصميمات مستشعرات جديدة ومبتكرة يمكن أن تساعد في إحداث ثورة في إنترنت الأشياء من خلال سد فجوة الطلب على الطاقة الناتجة عن تنفيذ مليارات أجهزة الاستشعار الذكية.