A jelen cikkben tárgyalt, egyszerű környezeti energiahasznosítási technikák segítségével karbantartásmentes vezeték nélküli szenzorok implementálhatók olyan költséghatékonyságot megkövetelő alkalmazásokban, mint például intelligens otthonok, épületautomatizálás vagy gépközti kommunikáció.
Jóllehet a vezeték nélküli hálózattal kapcsolatos költségtervezés a hardverek bekerülési költségével indul, további költségokozókat is figyelembe kell venni a tervezés során. Ezek jelenthetik további hardverelemek és szoftverek költségét, valamint kommunikációs szabványok (pl. ZigBee® vagy Bluetooth®) licencdíjait is.
Az energiaforrások
A vezeték nélküli szenzor által a környezetből hasznosítható energia mennyiségét jellemzően a költségek és a méretek korlátozzák. Éppen ezért kritikus jelentőségű biztosítani, hogy a szenzor és a vezeték nélküli rádiós egység által felvett energia kisebb legyen, mint ami környezeti energiahasznosítás útján begyűjthető.
Többféle forrás ismeretes, amelyek alkalmasak a környezeti energiahasznosításra. Ezek közül a egyik legkézenfekvőbb és legszélesebb körben használt a napenergia. A napenergia-hasznosító rendszerek különféle méretekben érhetők el, kezdve az egészen nagy méretű, nagyszámú napelemcellát integráló panelektől az ultra kicsi, gyerekjátékokhoz vagy zsebszámológépekhez használt minicellákig.
A további lehetséges energiaforrások között megtalálhatjuk a rádióhullámokat, amelyeket egy vételi antenna segítségével lehetséges elektromos energiává alakítani, vagy akár az elektromechanikai eredetű energiákat is, amelyeket egy tekercs közelében mozgó mágnes segítségével lehet hasznosítani. Sőt, a hőmérsékleti gradiensek jóvoltából termoelektromos energia hasznosításáról is szó lehet, a Seebeck-hatás alapján.
A kompatibilitás kérdése
Az olyan, széles körben használt vezeték nélküli kommunikációs protokollok, mint a ZigBee vagy Bluetooth, jó eséllyel jutnak elsőként azon tervezők eszébe, akik környezeti energiahasznosítással működő, vezeték nélküli szenzoros alkalmazásokat fejlesztenek. Mindazonáltal nem feltétlenül indokolja, ill. teszi lehetővé minden alkalmazás azt, hogy ilyen kifinomult és részletesen specifikált, költségekkel járó protokollt implementáljanak. A döntést ebben a kérdésben annak alapján célszerű meghozni, hogy milyen jellegű és mértékű kompatibilitás várható el a rendszer oldaláról. Ha például egy vezeték nélküli fejbeszélőről vagy mobiltelefonról beszélünk, több, mint valószínű, hogy a minél szélesebb körű kompatibilitás alapkövetelmény. Ha viszont egy egyszerű rádiófrekvenciás távvezérlésről van szó, nem biztos, hogy feltétlen elvárás az, hogy más rendszerekkel, ill. más gyártók termékeivel bármilyen tekintetben is kompatibilitást mutasson.
A tanúsítvány költségei
Minden olyan, kereskedelmi forgalomba kerülő rendszer, amely vezeték nélküli szenzort tartalmaz, FCCvagy CE-tanúsítvánnyal kell, hogy rendelkezzen, így ez lényegében valamennyi fejlesztés esetében adott költségtényező. Ha egy specializált szabvány tekintetében lenne szükség tanúsítványra, az jellemzően nagyobb költségvonzattal jár, mint az FCCvagy CE-tanúsítvány megszerzése – ennek költségét sok esetben alábecsülik.
A vezeték nélküli szabvány implementálása jellemzően sokkal komplexebb és költségesebb, mint az alapfejlesztés hardver- és szoftvervonzatú költségei. A megfelelőségi folyamat megkezdése előtt valószínűleg előminősítésre van szükség, amelyre a megfelelő berendezés időszakos bérlése legalább havi 750 dollártól indul. Erre jön még rá a tényleges hitelesítés az adott vezeték nélküli szabvány szerint, amely jellemzően tartalmazza a megfelelőségi tesztelés, profiltesztelés és mérőhardverek költségeit is. Ha a ZigBee szabványt vesszük példának, ezeknek a költségei mindösszesen kb. 3000 dollárra rúgnak, amely még nem tartalmazza az esetlegesen felmerülő, chipdarabszám alapján megállapított royalty-, ill. tagdíjat érintő költségeket sem.
A végtermék darabjára jutó tanúsítási költségek a gyártási darabszám függvényében változhatnak. Vegyünk például egy 1 – 1,5 dollár hardverköltségű megoldást 10 ezres gyártási darabszámmal. Ha a költségeket 10000 dollárra becsüljük, az FCC-tanúsítvány megszerzésekor a termék bekerülési költsége gyakorlatilag megduplázódik. Az adott RF kommunikációs szabvány szerinti megfelelőségi tesztelés, beleértve az előminősítést, a tanúsítást és RF-tesztelést is, könnyedén tetézheti ezeket a költségeket.
Fogyasztás
Az energiafogyasztás hatékony menedzselése a környezeti energiahasznosítás elvén működő, vezeték nélküli szenzoroknál minden fejlesztésnél kulcskérdés. A rádiófrekvenciás adóvevő konfigurációjának különös figyelmet kell szentelni, mert ezzel a rendszer által szükségtelenül felhasznált energia mennyisége jelentősen visszafogható. Az olyan rendszerparaméterek, mint a modulációs séma, adatátviteli sebesség, antennára átvitt kimeneti rádiófrekvenciás teljesítmény mind jelentősen befolyásolják a szenzor energiafelhasználását. Nem nagy meglepetésre itt is igaz az általános irányelv, miszerint minél rövidebbek az aktív (adási) periódusok hosszai, annál kisebb a rendszer átlagfogyasztása. Ez azt jelenti, hogy a rendszer lehetőleg minden elemének (legyen szó LED-ekről, mikrokontrollerekről vagy rádiófrekvenciás adókról) a lehető legtöbb időt kell alacsony fogyasztású működést biztosító, alvó vagy készenléti állapotban töltenie.
Fogyasztás kontra adatsebesség
Minél nagyobb az adatátviteli sebesség, annál több energiát fogyaszt a rendszer, érdemes tehát az adatcsomagok rövidítésével csökkenteni a fogyasztást. Az energiafelvétel menedzselésében fontos szerep jut a modulációs sémának is: az ASK vagy OOK modulációk például kevesebb energiát fogyasztanak, mivel sok periódusban erősen csökkentett (ASK) vagy teljesen zérus (OOK) a kimenő RF-teljesítmény. Az áramfelvétel átlaga az ASK modulációval szintén alacsonyabb. Mindezek ellenére a preferált modulációs séma mégis az FSK, mivel arányaiban vele lényegesen nagyobb adatátviteli sebesség realizálható.
Ha alapszintű, egyirányú kommunikációra van szükség, a rendszerhez elég egy szimpla RF adóvevő, ha azonban például az IEEE 802.15.4 szabványon alapuló tanúsítvány megszerzése a cél, akkor célszerűbb specializált vezérlővel dolgozni. Példának okáért a Microchip-féle PIC12LF1840T48A típusszámú mikrovezérlő rendelkezik integrált adóvevővel, amely OOK modulációval 10 Kibit/s, FSK modulációval 100 Kibit/s adatátviteli sebességre képes. Látható tehát, hogy FSK működési üzemmódban az adatátviteli sebesség tízszerese annak, ami OOK módban elérhető. Nagyobb adatsebesség esetén a rádiófrekvenciás vevő az FSK modulációval érkező jeleket gyorsabban tudja venni és hatékonyabban tudja dekódolni, mint például ASK moduláció esetén.
Az energiafogyasztás menedzselése
A mikrokontrollerek kisfogyasztású, készenléti állapotai szintén hatékonyan közreműködhetnek az energiafogyasztás csökkentésében. A szenzor adatátviteli frekvenciája függ az egyes alkalmazások válaszidejétől. Az aktív periódusok közötti idő kiterjesztése egyben azt is jelenti, hogy a kontroller több időt tölt kisfogyasztású, készenléti állapotban, amely csökkenti a rendszer átlagfogyasztását.
Az áramfelvételt a szenzor által az adások között begyűjtött adatok is befolyásolják. Például a műveleti erősítőkről vagy erőmérő cellákról érkező adatok relatív nagyobb áramfelvételt jelentenek, mintha rádiófrekvencián továbbítanánk adatokat.
Az energiafogyasztás kiszámítása
Egy Microchip PIC12LF1840T48A-alapú mintarendszerből megismerhetjük az enegiaszámítás mikéntjét. A PIC12LF1840T48A integrált adóvevőjénél a frekvencialöket maximuma 200 kHz, amely 100 Kibit/s maximális adatátviteli sebességet jelent. Egy kisméretű adatcsomag, amely egy 16 bites bekezdő jelszakaszból, egy 16 bites szinkronizáló bitmintából és egy 32 bites hasznos információtartalomból áll össze, egészében mindössze 640 µs idő alatt átjátszható. A joule mértékegységben kifejezett energiafogyasztás az alábbiak szerint fejezhető ki:
1 J = 1 W × 1 s = 1 V × 1 A × 1 s.
Ezek alapján az egy teljes adatcsomag elküldéséhez szükséges energiamennyiség ennél a rendszernél az alábbiak szerint számítható ki:
E = 10,5 mA × 640 µs → 10,5 mA × 3,0 V × 640 µs = 31,5 mW × 640 µs = 20,16 µJ.
A kristályoszcillátor feléledési ideje jellemzően 650 µs, amely idő alatt 5 mA
áramerősséget vesz fel. Az oszcillátor feléledésekor felvett energiamennyiség az alábbiak szerint számítható ki:
E1 = 5 mA × 3,0 V × 650 µs = 9,75 µJ.
A példának vett rendszer által használt adatcsomag tartalmaz tehát egy 16 bites bekezdő jelszakaszt, egy 16 bites szinkronizáló bitmintát és egy 32 bites hasznos információs bitszakaszt. A 100 Kibit/s maximális adatsebesség mellett ez a korábbiak szerint 640 µs adási időt jelent. Ha a rádiófrekvenciás adás kimenő jelszintje +0 dB, az adási frekvencia 868 MHz, FSK moduláció esetén ez 12 mA áramfelvételt jelent. Ezek alapján a felhasznált energia mennyisége az alábbiak szerint számítható ki:
E2 = 12 mA × 3 V × 640 µs = 23,04 µJ.
Egy szimpla, 10 Kibit/s sebességű adás esetén a felhasznált energia az alábbiak szerint számítható ki:
E2 = 7,5 mA × 3 V × 6,40 ms = 144 µJ.
Az E2 információátviteli energiafelhasználás összehasonlításából jól látszik, hogy mekkora jelentősége van a nagy adatsebesség alkalmazásának.
A PIC12LF1840T48A adója az utolsó adatbit elküldése után automatikusan időzítést generál, és átvált kisfogyasztású, készenléti üzemmódba. Ha minimum 2 ms idejű időzítéssel számolunk, a járulékos energiafogyasztás mértéke az alábbiak szerint számítható ki:
E3 = 12 mA × 3 V × 2 ms = 72 µJ.
Az E1, E2 és E3 üzemállapotbeli energiafogyasztási adatok alapján az egyetlen, teljes adatcsomag átviteléhez köthető, szükséges energiamennyiség az alábbiak szerint számítható ki:
E = E1 + E2 + E3 = 9,75 µJ + 23,04 µJ + 72 µJ = 104,79 µJ.
Egy miniatűr napelemcellának, amely 3 V feszültségen 4,5 µA kimeneti áramot állít elő, meghatározott ideig aktívnak kell lennie ahhoz, hogy a szenzor az adatcsomagot sikeresen továbbítani tudja. Ha egy alsó árkategóriás napelemcellát veszünk, amely a legjobb esetben 3 V-on 40 µA kimeneti áramerősséget tud szolgáltatni, kiszámíthatjuk, hogy mindössze 120 µW hatásos teljesítményre számíthatunk:
3 V × 40 µA = 120 µW.
A szenzornak a teljes adatcsomag átviteléhez szükséges adott ideig aktív energiagyűjtő állapotban tartózkodnia, amelynek hosszúsága az alábbiak szerint számítható ki:
T = 104,79 µJ / 120 µW = 0,87 s.
Ez azt jelenti, hogy a szenzornak két, egymást követő adás között 0,87 másodperc ideig várakoznia kell, feltételezve azt, hogy a napelemcella napfénnyel való ellátottsága állandó. A valóvilágbeli alkalmazásokban a napenergiával való ellátottság természetesen csak nappal adott, a kalkulációt tehát szükséges bővíteni, annak figyelembevételével, hogy a környezeti energiahasznosító rendszernek el kell látnia az energiatárolás feladatát is, amelyhez a napsütés elmúlását követően fordulhat. További tényező, amelyet figyelembe kell venni, hogy a számítások nem tartalmazzák a szenzor tényleges méréséhez szükséges energiamennyiséget sem.
Energiatárolás
Többféle implementációs lehetőség is adott a napsütéses időszakban begyűjtött energia tárolására. Ezek egyike a szuperkondenzátor, amely energiatároló elemként kerül hasznosításra a rendszerben, vagy az alsó árkategóriás, NiMH-cellás, csepptöltős akkumulátoros rendszer, amely közvetlenül a napelemcelláról végzi az energiatároló elemek töltését. Néhány kivételes esetben, amelyeknél a környezeti energiával való ellátottság folyamatos, nincs is feltétlenül szükség energiatároló rendszert implementálni.
A környezeti energiahasznosítás előnyei
A környezeti energiahasznosítás legfőbb előnye a vezeték nélküli szenzoros alkalmazásokban nem a darabra jutó költségek azonnali csökkentésének lehetősége, hanem a hosszú távú megtakarítás a karbantartási költségek elmaradását vagy jelentős redukálódását illetően. A megtakarítások e formája különösen akkor látványos, ha rendkívül nehezen megközelíthető helyeken elhelyezett szenzorokról van szó és/vagy a szenzorhálózatban nagy darabszámú szenzor működik. A telepítést követően – lényegében az emberi beavatkozás teljes mellőzésével – a környezeti energiahasznosítással mindkét esetben gyakorlatilag a végtelenségig lehet a szenzorhálózatot működtetni.
A környezeti energiahasznosítás a vezeték nélküli szenzorhálózatok táplálásában egyre népszerűbb megoldássá kezd válni, különösen olyan hálózatoknál, amelyek alapja nem szabványosított hálózati protokoll, mint például a ZigBee vagy a WiFi. Ráadásul a szóba jöhető energiaforrások választéka bővül: a fény, hő, rádióhullámok, mechanikai energia után már megjelent a vércukor is, mint környezeti energiahasznosításra alkalmas energiaforrás.
A környezeti energiahasznosítás sikeres implementációjához a vezeték nélküli szenzorhálózatokban elengedhetetlen a szenzorra vonatkozó energiafelhasználási mennyiségek körültekintő és teljes modellezése. Ehhez hatásos segítséget nyújt a megfelelő kommunikációs protokoll és az adatsebesség kiválasztása, valamint a rendszer rádiófrekvenciás alkatrészeibe (pl. a Microchip PIC12LF1840T48A mikrovezérlő) integrált energiagazdálkodási lehetőségek optimális kihasználása.
