Energy Harvesting und Bluetooth® Low Energy: Design von batterielosen Beacons

Die immer aktiven und wartungsfreien Datentransmitter im Überblick

Smartphones haben unser alltägliches Leben grundlegend verändert. Sie bilden unser Tor zu On-Demand-Informationen über unsere Gesundheit, unsere Umgebung und sogar unsere Einkäufe. Doch leider müssen die Benutzer heute in den meisten Fällen noch selbst aktiv werden, wenn sie Daten wollen. Das kann sich als ineffizient erweisen, weil Benutzer möglicherweise nicht wissen, wie sie nach Informationen suchen sollen (z. B. nach Sonderangeboten eines Produkts in einem Geschäft).

Die Lösung: ein System, das situationsspezifische Daten für Smartphones verfügbar macht, sodass dem Benutzer immer die richtigen Informationen präsentiert werden. Diese Daten können von einem Sensor stammen oder von einer eindeutigen Kennung, die mit einem Objekt oder einem Standort verknüpft ist. Und genau hier kommen die Beacons ins Spiel.

Im Sprachgebrauch der Wireless-Technologie versteht man unter einem Beacon ein Gerät, das nach dem Broadcast-Prinzip Daten aussendet, die von in der Nähe befindlichen anderen Geräten empfangen werden können. Idealerweise können die ausgesendeten Daten empfangen werden, ohne dass vom Benutzer irgendwelche Interventionen erforderlich sind – was die Übertragung nahtlos gestaltet. Bluetooth® Low Energy kann genau das und hat sich daher zur allgegenwärtigen Option für die Beacon-Kommunikation entwickelt.

Bluetooth Low Energy (BLE) findet breite Anwendung in der drahtlosen Low-Power-Kommunikation in Anwendungen, bei denen die Datenübertragung innerhalb eines relativ kleinen Radius erfolgen muss, was zumeist weniger als 10 Meter sind. Stellen wir uns einen drahtlosen Sensorknoten (Wireless Sensor Node, WSN) vor. Vom WSN können Daten erfasst und zu einem Smartphone gesendet werden. Abbildung 1 zeigt einen typischen Anwendungsfluss für diese Art von Sensorknoten:

Abbildung 1: Typisches Flussdiagramm für BLE-Sensorgeräte

Die Stromversorgung von Beacons und Sensoren muss durch eine Quelle erfolgen, die es ihnen ermöglicht, kontinuierlich in Betrieb zu sein, und die gleichzeitig Größe und Formfaktor des Geräts insgesamt nicht beeinträchtigen. Die Versorgung dieser Geräte durch eine kabelgebundene Quelle ist kaum machbar, weil ihrer Platzierung entweder am Körper von Personen oder an entfernten Positionen erfolgt. Daher sind alle Anwendungsfälle sinnlos, bei denen Kabel für die Stromversorgung vonnöten sind. Mit dem Konzept einer Batterieversorgung kommen neue Probleme ins Spiel: die begrenzte Lebensdauer und die Notwendigkeit des häufigen Wiederaufladens von Batterien und ein insgesamt negativer ökologischer Fußabdruck, da die Batterien letztendlich ordnungsgemäß entsorgt werden müssen.

Wenn wir wirklich Beacons haben wollen, die keinerlei Wartung bedürfen, müssen wir die ungenutzte Energie aus deren direktem Umgebung anzapfen, also Licht, Bewegung, Druck oder Wärme. So wird ein „installieren und vergessen“-Ansatz ermöglicht, bei dem Beacons und Sensoren über ihre gesamte Betriebslebensdauer hinweg mit Strom versorgt werden.

Energy Harvesting

Unter „Energy Harvesting“ versteht man eine Methode zur Sammlung kleinster Mengen an ungenutzter Energie aus der Umgebung sowie deren Speicherung. Erst wenn ausreichend Energie gespeichert wurde, kann ein Sensor Aufgaben ausführen, z. B. das Erfassen und Übertragen von Daten über BLE zu einem anderen Gerät.

Abbildung 2: Blockschaltbild eines WSN-Geräts mit Energy Harvesting

Ein Energy Harvesting System (EHS) ist eine Schaltung, die aus einem Energy-Harvesting-Gerät (Energy Harvesting Device, EHD), einer integrierten Schaltung zum Energy-Harvesting-Energiemanagement (Energy Harvesting Power Management Integrated Circuit, PMIC) und einem Energiespeichergerät (Energy Storage Device, ESD) besteht. Das PMIC sorgt für die Erhaltungsladung des ESD (zumeist ein Kondensator) durch Energie, die durch ein EHD bereitgestellt wird, was üblicherweise eine Solarzelle, ein Vibrationssensor oder eine piezoelektrische Komponente ist. Das EHS verwendet dann diese gespeicherte Ladung, um eine andere eingebettete Komponente mit Strom zu versorgen. Die EHS-Ausgangsleistung ist je nach Status des Sensors unterschiedlich hoch. Ist er aktiv, wird Energie verbraucht, und die Spannung vom EHS beginnt abzusinken. Wenn er sich im Low-Power-Status befindet, stiegt die Spannung vom EHS, weil das ESD schneller aufgeladen wird, als es Energie abgeben muss. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für eine sich zeitlich ändernde EHS-Ausgangsspannung entsprechend der Aktivität der eingebetteten Komponente.

Abbildung 3: EH-Ausgangsschwankung aufgrund der Komponentenaktivität im zeitlichen Verlauf

Bei Geräten mit EHS-Speisung kann die in einem aktiven Status verbrauchte Energie nicht die im EHS verfügbare Energie übersteigen. Abbildung 4 zeigt ein EHS-gespeistes System, bei dem der Energieverbrauch in einem Aktiv-Status größer ist als die Energiemenge, die das EHS bereitstellen kann. Die Ausgangsspannung des EHS fällt aufgrund des Verbrauchs langsam ab, und schließlich wird der Ausgang komplett abgeschaltet.

Abbildung 4: WSN-Abschaltung aufgrund unzureichender Energie

Um ein robustes System zu gestalten, das durch Energy Harvesting gespeist wird, muss jeder Aspekt des eingebetteten Systems unter energetischen Gesichtspunkten optimiert werden, sodass es nahtlos arbeiten kann, solange es vom EHS gespeist wird. In einem derartigen System gibt es viele Subsysteme, die energiehungrig sein können und optimiert werden müssen, damit sie den EHS-Ausgang nicht überstrapazieren. Das sind einige der Hauptfelder, die es bei der Energieoptimierung anzugehen gilt:

1.CPU-Taktfrequenz

Die Taktfrequenz des Systems bestimmt, wie schnell eine bestimmte Routine verarbeitet wird und wie viel Energie dabei verbraucht wird. Eine höhere Taktfrequenz bedeutet zwar eine schnellere Verarbeitung aber auch einen höheren Energieverbrauch. Außerdem besitzt jeder Baustein Unter- und Obergrenzen für die Taktfrequenz, die unbedingt eingehalten werden müssen.

Bei EHS-basierten Designs müssen bei der Auswahl einer optimierten Taktfrequenz auch die folgenden beiden Faktoren berücksichtigt werden:

• Durchschnittsstromverbrauch
• Spitzenstromverbrauch

Die EHS-Kapazität muss diesen beiden Faktoren Rechnung tragen. Der Durchschnittsstromverbrauch ist der zeitliche Durchschnitt des Stroms, der während eines bestimmten Aktiv-Status benötigt wird. Dagegen ist der Spitzenstrom die momentane Maximalstromanforderung des Aktiv-Status. Dieser ist oftmals viel höher als der Durchschnittsstrom. Es kann vorkommen, dass der erforderliche Durchschnittsstrom zwar noch gut von der EHS-Kapazität abgedeckt ist, der Spitzenstrom jedoch zu einem plötzlichen Energieverschleiß des EHS führt, was den Abfall der Spannung unter die Abschaltspannung nach sich zieht. Beachten Sie, dass die Verarbeitungszeit in die Berechnung des Durchschnittsstromverbrauchs einbezogen werden muss.

Abbildung 5 zeigt den Strom-Zeit-Verlauf einer konkreten Routine, die mit einer Systemfrequenz von 48 MHz verarbeitet wird, während Abbildung 6 den Strom-Zeit-Verlauf für dieselbe Routine bei 12 MHz zeigt.

Abbildung 5: Stromverbrauch beim Verarbeiten einer Routine mit 48 MHz

Abbildung 6: Stromverbrauch beim Verarbeiten einer Routine mit 12 MHz

In diesem Beispiel dauert die Fertigstellung der Routine bei Verarbeitung mit 48 Hz etwa 300 µs. Während dieser Zeit kommt es zu einem Spitzenstrom von 10 mA. Die Fertigstellung derselben Routine bei Verarbeitung mit 12 Hz dauert 1,1 ms, wobei es nur zu einem Spitzenstrom von 4 mA kommt. Der während dieses Prozesses verbrauchte Durchschnittsstrom ist zwar bei 12 MHz höher, dafür ist aber der Spitzenstrom geringer. Je nach EHS-Kapazität könnte man sich nun für ein kurzes 48-MHz-Takt-Setup, ein längeres 12-MHz-Takt-Setup oder einen Mix von beiden entscheiden, wobei die Taktfrequenzen zwischen den einzelnen Prozessen umgeschaltet werden können. Ein solches Strom-Profiling sollte bei der Auswahl der optimierten Systemfrequenz in Erwägung gezogen werden.

2.Booten von Low-Power-Geräten

Wird eine eingebettetes Gerät eingeschaltet, muss es eine Bootsequenz durchlaufen, bevor es Anwendungscode ausführen kann. Eine typische Bootsequenz umfasst:

1. Initialisieren des Arbeitsspeichers
2. Einstellen der Interruptvektoren
3. Konfigurieren der peripheren und gemeinsamen Register
4. Initialisieren von externen Taktquellen, sofern vorhanden

Das Absolvieren von jedem dieser Schritte benötigt CPU-Verarbeitungszeit, was wiederum einen Energieverbrauch bedeutet. Die verbrauchte Energiemenge hängt vom Typ des verwendeten Bausteins, von der Systemtaktfrequenz, von der anfänglich eingestellten Größe von Arbeitsspeicher/Register und von der zum Einrichten der externen Taktquellen benötigten Zeit ab. Damit ist die Bootsequenz eine leistungsintensive Aktivität und sollte so optimiert werden, dass sie keine übermäßige Energiemenge aus dem EH-Ausgang verbraucht. Faktoren, die beim Schreiben von Code für die Bootsequenz berücksichtigt werden müssen:

1. Initialisieren Sie nur solche Abschnitte von Arbeitsspeicher und Registern, die wirklich verwendet werden. Belassen Sie die anderen auf ihren Standardwerten.

Die meisten Drahtlossysteme benötigen äußerst präzise externe Taktquellen. Diese Taktquellen, etwa ein externer Taktoszillator oder ein Uhrquarzoszillator, benötigen nach dem Start eine lange Stabilisierungszeit. Statt im aktiven Modus abzuwarten, bis die Taktquellen stabil arbeiten, sollte das System in einen Low-Power-Modus (Schlaf/Tiefschlaf) versetzt und erst wieder aufgeweckt werden, wenn die Taktquellen einsatzbereit sind. Verwenden Sie zu diesem Zweck einen internen Timer.

3. Low-Power-Systemstart

Sobald das Gerät mit der Ausführung von Anwendungscode beginnt, müssen zumeist die einzelnen Peripheriekomponenten im System einzeln gestartet werden. Diese Peripheriekomponenten können sich entweder im Inneren des Geräts befinden, wie etwa ein ADC, oder außerhalb des Geräts, wie etwa ein Sensor. Obwohl die Startzeit für eine einzelne Peripheriekomponente vielleicht nicht lang ist, summieren sich jedoch die Einstellungszeiten aller Komponenten und könnten derart viel Verarbeitungszeit beanspruchen, dass die im EHS gespeicherte Energie erschöpft wird. Berechnen Sie zunächst die Startzeit der einzelnen Peripheriekomponenten für eine vorgegebene CPU-Frequenz. Ermitteln Sie dann, ob das Energiebudget ein gemeinsames (schnelleres) Starten aller Peripheriekomponenten hergibt oder ob die Startprozedur in Stufen (langsamer) ausgeführt werden muss.

4. Stufenweise Anwendungsverarbeitung

Das Gerät verfügt über verschiedene Anwendungsroutinen, die jeweils ihre eigene CPU-Bandbreite erfordern. Zu diesen Routinen zählen Aufgaben wie das Konfigurieren eines Peripheriegeräts, der Empfang von Daten von Sensoren, die Durchführung von Berechnungen sowie das Management von Ereignissen und Interrupts. Stellen Sie sicher, dass die für diese Verarbeitung benötigte Energie nicht die Kapazität des EHS übersteigt. Sollte das der Fall sein, müssen Sie die Routinen in kleinere Subroutinen unterteilen und diese in Stufen abwickeln. Dadurch kann die Belastung des EHS in überschaubare Stromimpulse aufgeteilt werden, was ein Aufladen des EHS zwischen den aktiven CPU-Prozessen ermöglicht.

Versetzen Sie außerdem das System zwischen jeder Stufe in einen Low-Power-Modus, mit einer Aufwachquelle wie etwa einen Interrupt von einem Zähler oder einen Watchdog-Timer. Da sich das System über die längste Zeit in Low-Power-Modi befindet, müssen die Stromanforderungen während dieser Modi so gering wie möglich sein. Je effizienter das System in diesen Modi ist, desto weniger Zeit benötigt es zum Wiederaufladen zwischen den Stufen und desto schneller steht das System zur Durchführung von Aufgaben zur Verfügung.

5. Drahtlose Übertragung

Nachdem die Daten gesammelt wurden, müssen sie über BLE übertragen werden. Diese Übertragung kann entweder über eine BLE-Verbindung oder als BLE-Broadcast erfolgen. Beachten Sie, dass das von Energy Harvesting unterstützte Beaconing auf BLE-Werbung beschränkt ist. Das liegt daran, dass für das Einrichten einer BLE-Verbindung eine größere Energiemenge benötigt wird, bevor die Verbindung zur Übertragung von Daten genutzt werden kann.  Im Allgemeinen ist in einem Drahtlosgerät die Funkaktivität, also entweder Senden (TX) oder Empfang (RX), mit dem höchsten Energieverbrauch verknüpft. Stellen Sie sicher, dass die BLE-Aktivität als ein unabhängiger Prozess erfolgt, der nur dann mit einem anderen Prozess gruppiert werden sollte, wenn der EH-Ausgang einen derart hohen Spitzenstrom liefern kann.

Effiziente Designs mit Cypress PMICs und BLE-Lösungen

Die von Cypress Semiconductor stammenden Energy Harvesting Power Management ICs (PMICs) ermöglichen eine batterielose Lösung für drahtlose Sensoren und Netzwerke. Dank präziser Kontrolle über die Ausgangsleistung und effizienter Leistungswandlung sind sie eine gute Wahl für kleine Low-Power-BLE-Anwendungen wie Beacons und drahtlose Sensorknoten (WSNs). Sie können entweder in einer batterielosen Lösung genutzt werden oder in Verbindung mit einer Batterie (z. B. einem Li-Ionen-Akku) als Backup-Stromversorgungsquelle. Optimierte PMICs wie der S6AE101A (für Solarbetrieb oder leichte EHDs optimiert) zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Start- und Ruhestromverbrauch aus, wodurch die Verwendung einer winziger Solarzelle möglich wird, die den Formfaktor insgesamt minimiert. Ein EH PMIC wie der MB39C831 kann mit einer niedrigen Spannung gestartet und an die Leistungsanforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden – mit einer als Maximum Power Point Tracking (MPPT) bezeichneten Funktion. MPPT ermöglicht es dem internen DC/DC-Wandler, das Laden des Ausgangs durch Verfolgen des Eingangsstroms zu steuern, was die Ausgangsleistung maximiert.

Die Energy Harvesting PMICs von Cypress sind in den unterschiedlichsten Anwendungen einsetzbar. So unterstützen beispielsweise die PMICs der MB39C8xx-Familie solar-, vibrations- und temperaturbasierte EH-Geräte.  Für komplexere Systeme stehen die PMICs der S6AE10xA-Familie mit Optimierung für den Solarbetrieb zur Verfügung, mit denen sich mehrere Ausgänge und Speichergeräte steuern lassen.

Ein weiterer Aspekt bei batterielosen Drahtlos-Beacons ist die Auswahl einer MCU. Als programmierbare Systeme integrierte MCUs, wie z. B. System-on-Chip-Bausteine (SoC) mit Unterstützung verschiedener Low-Power-Modi, sind eine gute Wahl für derartige Anwendungen. So ermöglicht beispielsweise die von Cypress entwickelte PSoC-Lösung (Programmable System-on-Chip) eine enge Integration mit verschiedenen Arten von Peripheriegeräten, die als Schnittstelle zu Sensoren verwendet werden können. Insbesondere das PSoC 4 BLE enthält Low-Power-Peripheriegeräte sowie ein BLE-Funkmodul und einen integrierten BLE-Stack, wodurch das Design eines BLE-Sensorknotens in Single-Chip-Ausführung möglich wird. Außerdem können die Systeme dank Unterstützung von Low-Power-Modi zuverlässig mit eingeschränkten Stromquellen wie Energy Harvesting-Modulen und Knopfzellen betrieben werden. Derartige Harvesting-Module haben sich in Verbindung mit PSoC als ein optimiertes Design für batterielose BLE-Sensorknotenanwendungen erwiesen.

Weitere Informationen zum Designen von effizienten Drahtlossystemen für Energy-Harvesting-Anwendungen finden Sie im Anwendungshinweis Getting Started with Bluetooth Low Energy (Erste Schritte mit Bluetooth Low Energy). Detaillierte Informationen zur Optimierung von BLE-Subsystemen für das Energy Harvesting finden Sie in Designing for Low Power and Estimating Battery Life for BLE-based Applications (Low-Power-Designs und Schätzung der Batterielebensdauer für BLE-basierte Anwendungen). Außerdem können Sie hier klicken, um eine Einführung zu integrierten Schaltungen mit Energiemanagement (Power Management Integrated Circuits, PMICs) zu erhalten.

Anhang

A1: Oszilloskop-Screenshots verschiedener Prozesse im BLE-Sensorknoten mit Speisung durch EH

Diese Abbildung zeigt den Verlauf der EHS-Ausgangsspannung bezüglich der CPU-Verarbeitung über einen Zeitraum hinweg. Das gelbe Signal ist die EHS-Ausgangsspannung, und das grüne Signal ist der Stromverbrauch durch das eingebettete Gerät. Die grünen Spitzen entsprechen dem Stromverbrauch während des aktiven CPU-Prozesses. Das flache Signal tritt auf, während sich das Gerät im Low-Power-Modus befindet. Beachten Sie, dass die EHS-Ausgangsspannung mit jeder CPU-Aktivität (Spitzen im grünen Signal) aufgrund des CPU-Energieverbrauchs absinkt.  Beachten Sie außerdem, dass sich die Spannung während der Low-Power-Stufen wieder erholt, da das Energiespeichergerät durch das EHS aufgeladen wird.

Diese Abbildung zeigt die EHS-Ausgangsspannung in Bezug auf die CPU-Aktivität, ohne dass es zum Aufladen des Energiespeichergeräts durch das EHS kommt. Wie Sie sehen, fällt mit zunehmendem Energieverbrauch die Spannung unter die Abschaltspannung ab, bei der die EHS-Ausgabe abgeschaltet wird.

Stromverbrauch (grünes Signal) beim Booten des Geräts:

BLE-Übertragungsaktivität in einem durch Energy Harvesting versorgten Beacon: