A vezeték nélküli szenzorok és vezérlő áramkörök mikroméretű energiabegyűjtők1 segítségével képesek telep nélküli működésre. Ehhez azonban a fejlesztők részéről a rendelkezésre álló (begyűjthető) energia, valamint az eszköz teljesítményfelvétele tekintetében óvatos tervezés szükséges. A feladatot nagyban egyszerűsíti, ha az eszközök dinamikus viselkedésekor adott a lehetőség a teljesítményfelvétel pontos mérésére. Cikkünk erre mutat példát és megoldást

Manapság a szenzorok rendszerint vezetékes csatlakozással rendelkeznek, az intelligens, hatékony energiafelhasználású épületekben többek között páratartalom, szén-monoxid, szén-dioxid, ózon, tűz, nyomás, jelenlét stb. mérésére is használják őket. A vezetékes kialakítás sok esetben (kiváltképp régi épületeknél) a rendszer kiépítésénél hátráltató tényező, ráadásul drágább is. A korábban megtervezett, felépített rendszer későbbi módosítása rendkívül körülményes és költséges, valamint akár kivitelezhetetlen is lehet.
A vezetékek okozta problémára megoldást jelenthetnek a vezeték nélküli eszközök, amelyeknél az információtovábbítás vezeték nélkül, rádiófrekvencián történik. De vajon milyen megoldások állnak rendelkezésre ezen eszközök tápellátására? A legkézenfekvőbb megoldás a beépített telep mint áramforrás, amely viszonylag jól és kiszámíthatóan működik, átlagosan egy-két évente azonban cserére szorul. Ez nem is jelent problémát, ha a házban mindössze 4 … 5 ilyet kell lebonyolítani, ám egy nagyobb épület esetében anyagi és logisztikai értelemben egyaránt komoly nehézségeket okozhat.
Egy másik megoldás az energiabegyűjtő eszközök bevetése, amelyek a különféle környezeti hatások energiaforrásként való kiaknázására képesek, működési energiát biztosítva ezzel a vezeték nélküli eszközök számára. Ma már többféle, mikro-/nanoméretű energiabegyűjtő létezik, amelyek elektromágneses, Peltier-, piezoelektromos, napenergia-alapú stb. elveken működnek. Az energiabegyűjtő szenzor általános felépítését az 1. ábra mutatja.

A tervezés első lépése: az eszköz energiaszükségletének felmérése
Mindenekelőtt fel kell mérnünk az alapvető energiaszükségletet, utána lépéseket kell tennünk annak csökkentésére. A fogyasztás csökkentésének legkézenfekvőbb módja a nem folyamatos működés bevezetése, amelynél a normál üzemállapoton kívüli szenzor alvó állapotban, fogyasztása pedig a µA-es, vagy nA-es tartományban van. Az alvóeszközök időnként „felébresztésre kerülnek”, belső műveleteket végeznek, majd továbbítják az adatokat (az ébresztés többek között lehet pl. percenkénti gyakoriságú, vagy történhet gombnyomásra is). A szenzor aktiválása, mérés, üzenetfelépítés, majd adás után az eszköz visszakerül az alvó üzemállapotba. Mivel az információküldés a rádiófrekvencián az ISM²-sávban történik, a rádiós adó meghajtására elegendő néhány V feszültség és 10 … 100 mA áram (a rövid RF burst-alapú kommunikáció miatt).

Jellemzően az alvó, aktív és adatküldési üzemállapotokat különböztetjük meg e rendszereknél (lásd 2. ábra). Az energiaigény számszerű meghatározására tisztában kell lenni az egyes állapotoknál tapasztalható teljesítményfelvétellel, valamint a bennük töltött idővel is:

• alvó állapot: az eszköz ebben tölti ideje legnagyobb részét, ez jellemezhető a legalacsonyabb áramfelvétellel. Az energiaigény minimalizálása erre az állapotra nézve kulcsfontosságú,
• aktív állapot: a mikrokontroller begyűjti a szenzor adatait, és feldolgozza, majd átadja azokat az RF-adónak. Törekedni kell rá, hogy a mikrokontroller csakis a feltétlenül szükséges időt töltse ebben az állapotban, amely a szoftverfejlesztés részéről is igényel ráfordítást,
• adási állapot: a rendszer az információ üzenetté alakítását követően áll be adásba, amely a legmagasabb áramfelvételt jelenti, hiszen az RF-adót, ill. esetenként teljesítményerősítőt is meg kell hajtani. Szintén törekedni kell az ebben az állapotban töltött idő legteljesebb lefaragására, hiszen az itt felvett 10 … 100 mA nagyságrendileg milliószorosa az alvó állapotbelinek. A helyes kommunikációs stratégia kiválasztása fontos, célszerű lehet a standard megoldások helyett az egyedi fejlesztésű protokollok alkalmazása.

Az energiabegyűjtőre épített, vezeték nélküli rendszerek mérőműszereivel szemben támasztott követelmények az alábbiak:

• áramerősség-mérési értéktartomány: 100 nA … 100 mA,
• időzítési felbontás: 100 µs … 10 ms (tétlen, ill. adási állapotok),
• teljesítményfelvétel: W,
• energiaigény: W/h, egyszeri eseményekre: J,
• feszültség, áramerősség, teljesítmény mérése amplitúdó-idő függésben, időbeli korreláció mérése,
• eseményvezérelt mérés,
• biztonság a megfelelő feszültség- és áramkorlátok beállításával.

Az egyik legelterjedtebb méréstechnikai módszer az árammérő fejjel felszerelt oszcilloszkóp használata. Bár ez láthatóvá teszi a 10 mA-es nagyságrendben az áramcsúcsokat és az adó időzítéseit a csúcsok esetében, a megismételhető mérések érdekében azonban a mérőfejet időnként nullázni kell, mivel az érintett jelszintek nagyon közel vannak a mérőfej érzékenységéhez. Az oszcilloszkóp vertikális felbontása szintén komoly korlátozó tényező lehet, azonban a legnagyobb probléma az, hogy a mA-es tartományból semmit sem látunk, holott az eszköz élettartama legnagyobb részét itt tölti. Alternatív és szintén gyakori megoldás a söntök műveleti erősítővel való kombinálása. Ebben az esetben a söntön eső feszültség csökkenti az eszközt érő feszültségszintet, amely működési problémát jelenthet, ha túlságosan közel kerül az üzemi feszültség alsó határához. Továbbá, az ofszet- és erősítési hibák nem teszik elérhetővé a megfelelő pontosságot az elvárt, 100 nA — 100 mA tartományban (emlékeztetőül: 1: 1000000 arány).
Az Agilent Technologies gerjesztő-/mérőeszközeiben (SMU³) elérhető, „Seamless Ranging” nevű, szabadalmaztatott technológia biztosítja az elvárt pontosságot a dinamikus áramfelvétel mérésére. Ahogy változik a vezeték nélküli eszköz áramfelvétele, a kétnegyedes N6781A, illetve N6782A műszereknél a Seamless Ranging technológia automatikusan megállapítja, hogy mely mérési értéktartomány adja a legpontosabb mérési eredményt, és azonnal elvégzi a beállítást. Ez más eszközökkel elérhetetlen, vertikális felbontást jelent. Az N6705B DC Power Analyzer mainframe-mel és a 14585A vezérlő- és elemzőszoftverrel együtt használt N6781A SMU modullal mérhető az áramerősség, feszültség, teljesítmény, megtekintésük az oszcilloszkópoknál, illetve adatgyűjtőknél megszokott módon is lehetséges. A jelalakokon elhelyezhető grafikus markerekkel a beállított időablakokon továbbá energiaigény-mérések is végezhetők (W/h, vagy J mennyiségekben).

Az energiaforrás paraméterezése

Amint az eszköz teljesítményfelvételi jellemzői meghatározásra kerültek, beparaméterezhető az energiaforrás is. Az N6705B és N6781A kombinációval az energiaszükséglet egyszerűen meghatározható. A beépített, arbitrary függvénygenerátorral is rendelkező SMU képes az eszközt aktiváló feszültségimpulzusokat generálni, a „Seamless Ranging” pedig biztosítja, hogy mindig a legnagyobb mérési pontosságot adó méréshatár legyen beállítva. Az oszcilloszkópszerű kijelzőre kitehető markerek alapján, a teljesítménymérési üzemmódba tett 14585A szoftverrel közvetlenül leolvasható, hogy mennyi µJ energiára van szükség az eszköz aktiválásától számítva az adásig. A 3. ábrán látható mérésnél az 1-2 markerek közötti időablakban az energiaszükséglet például 80,796 µJ.Ha sikerült az energiabegyűjtőt beparaméterezni, megoldást kell találni az energia tárolására. Az N6705B/N6781A összeállítással ez úgy mérhető, hogy csatlakoztatott energiabegyűjtő, egyenirányító és kondenzátor esetén az SMU-t elektronikus terhelésként, CC⁴ üzemmódban használjuk. A 4. ábrán egy erre vonatkozó mérés eredménye látható.

A komplett eszköz tesztelése
Az immár felparaméterezett energiabegyűjtővel és vezeték nélküli adóval rendelkező rendszerhez csatlakoztatható az energiaforrás és az energiatároló, és működés közben tesztelhető. A teljesítmény felmérésére feszültség- és árammérésekre is szükség van. A feszültségmérés problémamentes, az alacsony értékű, dinamikus áramfelvétel mérése azonban problémás lehet. A fentebb leírtak szerint a sönt használata veszélyes mértékben csökkentheti az eszközre jutó feszültséget, az árammérő módba állított, virtuális söntöt megvalósító N6781A esetében azonban a csatlakozási pontok között a feszültségesés 0 V. Az áramfelvétel ezáltal nagy dinamikatartománnyal mérhető, a megjelenítés pedig oszcilloszkópszerű, vagy adatgyűjtőknél megszokott módon is támogatott. A feszültségmérést a kiegészítő DVM teszi lehetővé, a feszültség- és áramgrafikonok alapján kirajzolt teljesítményfelvételi görbén a markerek segítségével a teljes működési ciklusra is meghatározható az energiaigény. Mivel a működés általában egyszeri eseményre következik be, az N6705B analizátor ennek megfelelően, felfutó feszültségélre történő triggerelésre beállítható.

A beépített arbitrary függvénygenerátora segítségével az N6781A képes olyan feszültségimpulzusok generálására, amelyek tehermentesítik a fejlesztőket a szenzor folyamatos, kézi gerjesztése alól (lásd 5. ábra).

Összegzés
A vezeték nélküli szenzorok tömeges telepítésének a legfőbb akadálya ma a telepélettartam. A kis fogyasztású mikrovezérlők, adóáramkörök, energiatárolók elősegítik az energiahatékony működést, amely jó alapot nyújt a mikroméretű, energiabegyűjtő rendszerek építéséhez. Az Agilent rendelkezik méréstechnikai megoldással e rendszerek követelményeinek megfelelően, a cikkben bemutatott N6705B teljesítményanalizátor, valamint N6781A gerjesztő-/mérő egység kiváló, megbízható kelléke e rendszerek fejlesztőinek.

1. Az eredeti „energy harvester” kifejezés olyan energiakinyerő eszköz, amely külső forrásokból (pl. napenergia, mozgási energia stb.) merít energiát, tárolja el, és bocsátja autonóm, vezeték nélküli eszközök rendelkezésére.
2. „Industrial, Scientific & Medical”: olyan frekvenciasávok, amelyek ipari, tudományos és orvosi célokra nemzetközileg szabadon felhasználhatók.
3. „Source/Measure Unit”: egyidejűleg elektromos gerjesztésre és mérésre is képes, elektronikai tesztműszer
4. „Constant Current”: állandó áramfelvételű üzemmód elektronikus terhelésnél

Az Agilent Technologies kapcsolódó honlapja