“يمكن أن يساعد حصاد الطاقة المحيطة في تقليل استخدام البطارية أو القضاء عليه وإطالة العمر التشغيلي لنقاط نهاية إنترنت الأشياء من خلال تحسين البروتوكولات اللاسلكية وتصميمات المعالجات الدقيقة منخفضة الطاقة وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة وتحسين كفاءة تجميع الطاقة الدقيقة. تتيح التطورات التكنولوجية الحديثة في دوائر إدارة معلومات الطاقة (PMIC) الخاصة بإدارة البيئة قدرًا أكبر من المرونة في إدارة الحجم والتكلفة والتعقيد في تصميمات النظام عند دمج تقنيات محددة لحصاد الطاقة الدقيقة.
“
المؤلف: هوو ديفيز
بينما تسعى الشركات إلى التحول الرقمي ، تعد المنازل الذكية بجميع أنواعها أساسية لتحسين جودة الحياة والاستدامة ، كما تتطور عمليات نشر إنترنت الأشياء.
نقاط نهاية إنترنت الأشياء الشائعة هي في الغالب أجهزة استشعار ، وربما مشغلات أقل شيوعًا ، متصلة لاسلكيًا بأجهزة التجميع أو بوابات الإنترنت. عادة ما يتم نشر هذه الأجهزة بأعداد كبيرة في سيناريوهات أكبر مثل المدن الذكية أو المصانع الذكية أو الزراعة الذكية. لذا فإن الصيانة في الموقع لهذه الأجهزة ، مثل استبدال البطارية ، قد تكون باهظة الثمن. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استبدال البطاريات المستهلكة سيضع عبئًا متزايدًا على البيئة.
عند تصميم نقاط النهاية ، يمكن للمهندسين تجنب استبدال البطارية من خلال توفير الطاقة للحفاظ على عمر الجهاز. لكن هذا قد يستغرق سنوات. نظرًا لقيود الحجم ، غالبًا ما تتطلب الأجهزة استخدام بطاريات خلايا تعمل بالعملة المعدنية. إذا كانت الطاقة لا تلبي متطلبات النظام ، فأنت بحاجة إلى اختيار بطارية أكبر.
يعلن
هناك طريقة أخرى تتمثل في إعادة تصميم الدائرة لتقليل متطلبات الطاقة للنظام بأكمله في حدود سعة تخزين الطاقة للبطارية المتاحة. لكن استخدام أي من الطرق المذكورة أعلاه ، أو مزيج من الطريقتين ، قد لا يحقق أهدافنا.
يمكن حصاد ميكروات أو ملي واط من الطاقة الدقيقة من البيئة المحيطة ، مما يساعد على توفير طاقة مفيدة لا تنضب. يمكن أن تكمل هذه الطاقة الكهربائية البطاريات الأساسية أو تحل محلها ، اعتمادًا على التطبيق ومصادر الطاقة المحيطة المتاحة. يمكن استخدام الطاقة المحصودة والمحولة لتشغيل الدوائر مباشرة ، أو يمكن تخزينها في مخزن مؤقت لحالات الطوارئ.
على أي حال ، نحن بحاجة إلى الطاقة المحيطة المناسبة لتلبية احتياجات التطبيق. من بين الأنظمة الفرعية المختلفة لنقاط نهاية إنترنت الأشياء ، يتمتع الجزء اللاسلكي بأكبر متطلبات الطاقة. يمكن أن يوفر تحليلنا هنا معلومات مفيدة لتصميم وتكامل أنظمة تجميع الطاقة.
استهلاك الطاقة للنظام الفرعي اللاسلكي
يعد اختيار أنسب تقنية لاسلكية لتوفير معدل البيانات المطلوب ونطاق الاتصال بأقل استهلاك ممكن للطاقة أمرًا بالغ الأهمية.
إذا كان المستشعر موجودًا على مقربة من مجمع أو بوابة (مثل محور أو جهاز توجيه يتصل بالإنترنت أو من خلال مفتاح اتصالات محلي) ، فقد تكون التقنيات مثل Bluetooth أو Zigbee أو Wi-Fi مناسبة ، اعتمادًا على معدل البيانات المطلوب وقيود التكلفة. في حالات أخرى ، مثل عندما تنتشر نقاط النهاية على مساحة جغرافية كبيرة ، قد يكون الاتصال اللاسلكي الخلوي أو LPWAN مطلوبًا. يقارن الشكل 1 استهلاك الطاقة ومعدل البيانات والنطاق الأقصى النموذجي والتكلفة النسبية للتقنيات اللاسلكية الرئيسية في تطبيقات إنترنت الأشياء.
الشكل 1: مقارنة بين العديد من تقنيات الاتصالات اللاسلكية الشائعة لإنترنت الأشياء. (المصدر: BehrTech)
يمكن تمثيل التغطية ومعدلات البيانات واستهلاك الطاقة في البيانات ، مما يسمح بإجراء مقارنة مباشرة. كما هو مبين في الشكل 2 ، يمكن أن يكون استهلاك الطاقة للنظام الفرعي اللاسلكي منخفضًا من 150 إلى 400 ميجاوات.
الشكل 2: مقارنة بين معدل البيانات وعرض النطاق الترددي واستهلاك الطاقة. (المصدر: أنظمة فولر)
لفهم التأثير الكامل على الطلب الكلي على الطاقة للنظام ، نحتاج أيضًا إلى النظر في دورة العمل. تحتاج التطبيقات مثل العدادات الذكية إلى إرسال حزم بيانات صغيرة عدة مرات في اليوم أو كل بضعة أيام. قد تحتاج الأجهزة الأخرى ، مثل الكاميرات الأمنية ، إلى إرسال كميات كبيرة من البيانات بشكل متكرر أو مستمر. اعتمادًا على التطبيق ، يمكن تقليل دورة العمل عن طريق التصفية المحلية داخل النظام قبل نقل البيانات ، على سبيل المثال ، يمكن تثبيت مستشعر الحركة على الكاميرا ويبدأ التسجيل فقط عندما يكتشف نشاطًا ، أو يمكن التخلص منه باستخدام مضمن معالجة الصور لبعض البيانات التي لا معنى لها. بالطبع ، يجب أن تكون الطاقة المطلوبة لتصفية البيانات أقل من الطاقة الموفرة عن طريق تقليل دورة العمل لتكون فعالة من حيث التكلفة.
الطاقة البيئية
بمجرد معرفة الطاقة والطاقة التي يتطلبها النظام الفرعي اللاسلكي ، من الممكن تقييم الطاقة المحيطة المناسبة وتقنيات حصاد الطاقة الدقيقة.
تتضمن تقنيات حصاد الطاقة المصغرة الرئيسية المناسبة لتشغيل هذه الأنظمة صفائف الخلايا الشمسية والمحولات الكهروضغطية أو الكهروستاتيكية التي يتم تنشيطها بالاهتزاز وأجهزة بلتيير القادرة على تحويل التدرجات الحرارية إلى قوة دافعة كهربائية (EMF). غالبًا ما تكون طاقة التردد اللاسلكي التي يتم حصادها من خلال هوائيات التصحيح أو الملف غير مناسبة لمعظم تطبيقات إنترنت الأشياء. يقارن الشكل 3 كثافات الطاقة الخاصة بهذه التقنيات. باستخدام هذه المعلومات ، يمكن تقييم حجم وأداء المكونات المستخدمة لتحديد تقنية والبدء في تطوير المواصفات.
الشكل 3: كثافة طاقة الطاقة المحيطة المحصودة.
افترض أن الكفاءة 20٪ والمساحة 35 ~ 40 سم2يمكن أن تولد الخلايا الشمسية حوالي 0.5 واط من الكهرباء. هذه المنتجات تكلف أقل من دولار واحد ، في حين أن الحصادات الكهروإجهادية تكلف عادة ما لا يقل عن ترتيب من حيث الحجم وتولد طاقة أقل. نحن نعلم أن الخلايا الشمسية تكون أقل كفاءة عند استخدامها في الداخل. ومع ذلك ، فإن بعض حصادات الطاقة الشمسية الداخلية التي تم إطلاقها مؤخرًا تدعي أنها توفر طاقة كافية للأجهزة اللاسلكية منخفضة الطاقة.
استخدام الانصهار
بالاستفادة من هذه التطورات التكنولوجية ، يمكن استخدام حصاد الطاقة الدقيقة لتقليل استخدام البطارية في نقاط نهاية إنترنت الأشياء أو القضاء عليه. عندما تحتاج أجهزة إنترنت الأشياء إلى نقل البيانات أو استقبالها ، غالبًا ما تكون الطاقة نفسها غير منتظمة وليست بالضرورة متوفرة ، لذلك نحتاج عادةً إلى مخزن طاقة أو جهاز تخزين ، والذي يمكن أن يكون بطارية قابلة لإعادة الشحن أو مكثفًا (أو مكثفًا فائقًا). كما هو مبين في الشكل 4 ، نحتاج أيضًا إلى IC لإدارة تجميع الطاقة (EH PMIC) لمعالجة الطاقة التي يحصدها النظام الفرعي ، وإدارة الطاقة إلى مخازن الطاقة ، وتشغيل الحمل عند الحاجة. تتميز تقنيات حصاد الطاقة المختلفة بخصائص كهربائية مختلفة ، وتولد الحصادات الكهروحرارية تيارًا مستمرًا للتيار المستمر عند الفولتية المنخفضة وبالتالي يكون لها مقاومة منخفضة. بينما تنتج الخلية الشمسية أيضًا جهدًا منخفضًا للتيار المستمر ، يختلف تيارها ومقاومتها مع شدة الضوء.
الشكل 4: يدير EH PMIC شحن المخزن المؤقت للطاقة ويزود حمل التطبيق.
تمتلك أجهزة PMIC النموذجية EH الموجودة في السوق اليوم بنية ثابتة ونطاق جهد دخل مصمم للعمل مع نوع معين من الحصادات. إذا لم يستطع مصدر طاقة واحد تلبية متطلبات النظام ، فمن المستحيل استخدام هذه الحاصدة البديلة للحصول على طاقة محيطة إضافية. لذلك إذا احتجنا إلى مزيج من مصادر الطاقة ، ويحتاج كل مصدر طاقة إلى EH PMIC مخصص. يؤدي هذا إلى زيادة تكلفة النظام وحجمه واستهلاكه للطاقة ، كما يؤدي إلى تعقيد التصميم.
يمكن تعديل بعض دوائر EH PMIC بدوائر خارجية لتنظيم خرج حصاد الطاقة. ومع ذلك ، لتبسيط تصميم النظام ، توفر وحدات EH PMIC من Trameto (تسمى OptiJoules) مدخلات تتكيف تلقائيًا مع أنواع مختلفة من الحصادات المتصلة وتعظيم توصيل الطاقة إلى المخازن المؤقتة دون الحاجة إلى دوائر خارجية. المنتج متاح في عدة إصدارات لمدخلات فردية أو متعددة (حتى أربعة) مدخلات. يعد الإصدار متعدد المدخلات أكثر مرونة ويمكن توصيله بأنواع متشابهة أو مختلفة من المجمعات. لذلك ، مع OptiJoule ، يمكن زيادة قدرة حصاد الطاقة الصغيرة ، ويمكن استخدام PMIC واحد لتطبيقات متعددة ، ويمكن حتى اختيار تقنية حصاد الطاقة لاحقًا في تطوير المنتج (إذا لزم الأمر).
ختاماً
يمكن أن يساعد حصاد الطاقة المحيطة في تقليل استخدام البطارية أو القضاء عليه وإطالة العمر التشغيلي لنقاط نهاية إنترنت الأشياء من خلال تحسين البروتوكولات اللاسلكية وتصميمات المعالجات الدقيقة منخفضة الطاقة وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة وتحسين كفاءة تجميع الطاقة الدقيقة. تتيح التطورات التكنولوجية الحديثة في دوائر إدارة معلومات الطاقة (PMIC) الخاصة بإدارة البيئة قدرًا أكبر من المرونة في إدارة الحجم والتكلفة والتعقيد في تصميمات النظام عند دمج تقنيات محددة لحصاد الطاقة الدقيقة.
(إشارة إلى النص الأصلي: إنجاح تجميع الطاقة لأجهزة Edge IoT)
The Links: ALTERA-EPM240T100C5N DMF-50840NB-FW