Energy harvesting e Bluetooth® Low Energy: progettare un radiofaro senza batteria

Panoramica sui trasmettitori di dati sempre accesi, senza manutenzione

Gli smartphone hanno introdotto enormi cambiamenti nella nostra vita quotidiana. Sono i nostri "portali" verso le informazioni su richiesta e gravitano attorno a vari aspetti, come la nostra salute, l'ambiente e persino i nostri acquisti. A tutt'oggi, purtroppo, nella maggior parte dei casi l'utente che desidera dei dati deve intraprendere un'azione. Questa situazione può rivelarsi inefficiente, dato che gli utenti possono non sapere come effettuare la ricerca delle informazioni desiderate (ad esempio, l'offerta di prodotti in un negozio).

La soluzione è quella di avere un sistema che renda disponibile agli smartphone i dati specifici per una data situazione in modo che gli utenti possano ricevere le informazioni giuste. I dati possono provenire da un sensore o da un identificatore esclusivo associato a un oggetto o a una posizione. È in questa situazione che entrano in gioco i radiofari.

Nella terminologia wireless, un radiofaro è un dispositivo che diffonde i dati che possono essere ricevuti da altri dispositivi nelle vicinanze. Idealmente, la diffusione dei dati può essere ricevuta senza intervento dell'utente, il che semplifica il trasferimento. La tecnologia Bluetooth® Low Energy ha questa capacità e di conseguenza è diventata la scelta più diffusa per le comunicazioni dei radiofari.

Bluetooth Low Energy (BLE) è una tecnologia ampiamente utilizzata per comunicazioni wireless a bassa potenza in applicazioni che richiedono il trasferimento dei dati con una portata relativamente ridotta, tipicamente inferiore a 10 metri. Prendiamo in considerazione un nodo sensore wireless (WSN).  I dati possono essere raccolti da un WSN e inviati a uno smartphone. La Figura 1 mostra un tipico flusso di applicazione per questi tipi di nodi sensore:

Figura 1: Diagramma del tipico flusso di dispositivi sensore BLE.

Radiofari e sensori richiedono l'alimentazione da una fonte che consenta loro di funzionare in modo continuo pur mantenendo le dimensioni e il fattore di forma del dispositivo nel suo complesso. Difficilmente si riesce ad alimentare questi dispositivi tramite conduttori, sia perché spesso sono indossati da una persona sia perché sono dislocati lontano. Di conseguenza, qualsiasi modalità che richieda l'uso di alimentazione cablata in genere non è applicabile. L'approccio di alimentazione tramite batteria comporta problematiche come la durata operativa limitata, la necessità di ricaricare le batterie di frequente e un certo impatto ambientale derivante dallo smaltimento delle batterie esauste.

Se si vogliono dei radiofari che non richiedono nessun tipo di manutenzione, è necessario avvalersi di energia trasmessa senza fili, proveniente dall'ambiente circostante, come la luce, il movimento, la pressione, il calore, ecc. Con questo approccio si ottiene l'effetto "installa e non pensarci più", in cui i radiofari e i sensori possono rimanere alimentati per tutta la durata di vita del dispositivo.

Energy harvesting

L'energy harvesting è una tecnologia che permette di raccogliere, senza ausilio di fili di trasmissione, piccole quantità di energia dall'ambiente circostante e anche di immagazzinarle. Una volta accumulata abbastanza energia, un sensore può eseguire i suoi compiti, come raccogliere dati e trasmetterli tramite BLE a un altro dispositivo.

Figura 2: Diagramma a blocchi di un dispositivo WSN alimentato tramite energy harvesting.

Un sistema di energy harvesting (EHS) è un circuito che include un dispositivo di energy harvesting (EHD), un circuito integrato per la gestione del consumo energetico (PMIC) e un dispositivo di immagazzinaggio dell'energia (ESD). Il PMIC carica il dispositivo di immagazzinaggio dell'energia (ESD), in genere un condensatore, con l'energia fornita da un EHD, ad esempio una cella solare, un sensore di vibrazioni o un dispositivo piezoelettrico. Quindi l'EHS utilizza l'energia immagazzinata per alimentare un altro dispositivo embedded. In funzione dello stato del sensore, la potenza di uscita dell'EHS varia. Quando è attivo, l'energia viene consumata e la tensione nell'EHS inizia a diminuire. Quando si trova in stato di bassa potenza, la tensione dall'EHS aumenta dato che l'ESD viene caricato più rapidamente di quanto non si scarichi. La Figura 3 mostra un esempio di uscita della tensione dell'EHS che varia in funzione dell'attività del dispositivo embedded su un certo periodo di tempo.

Figura 3: Variazione dell'uscita dell'EHS in funzione dell'attività del dispositivo embedded su un certo periodo di tempo.

Per i dispositivi alimentati da un EHS, l'energia consumata durante lo stato di attività non deve superare quella disponibile nell'EHS stesso. La Figura 4 mostra un sistema alimentato da un EHS dove il consumo energetico durante uno stato attivo è maggiore di quanto l'EHS sia in grado di erogare. La tensione di uscita dell'EHS cala lentamente a causa del consumo e alla fine l'uscita si interromperà completamente.

Figura 4: Grafico dello spegnimento del WSN derivante dalla potenza insufficiente.

Per progettare un sistema affidabile, alimentato tramite energy harvesting, occorre ottimizzare dal punto di vista energetico tutti gli aspetti del sistema embedded in modo che lavori correttamente quando alimentato dall'EHS. In un sistema di questo tipo, ci sono diversi sottosistemi che possono consumare molto e devono essere ottimizzati per assicurare che non abbassino l'uscita dell'EHS. Ecco alcuni degli obiettivi di questa opera di ottimizzazione:

1.Frequenza di clock della CPU

La frequenza del clock di sistema determina la velocità della routine che verrà elaborata e la quantità di energia che verrà consumata in questa operazione. Un clock più veloce si traduce in un'elaborazione più rapida, ma anche in maggiori consumi. Occorre anche tenere presente che tutti i dispositivi hanno requisiti di velocità di clock minimi e massimi che non è possibile ignorare.

Per i progetti basati su EHS, la frequenza del clock deve essere scelta in base ai due seguenti fattori:

• Consumo di corrente medio
• Consumo di corrente di picco

La capacità dell'EHS deve tenere presente entrambi i fattori. La corrente media corrisponde alla corrente media in un arco di tempo richiesta durante un particolare stato attivo. La corrente di picco è la corrente massima istantanea richiesta dallo stato attivo e spesso è molto più alta di quella media. È possibile che la corrente media sia tranquillamente entro la capacità dell'EHS, ma che quella di picco causi un rapido esaurimento della sua energia provocando una caduta di tensione sotto la tensione di soglia. Va ricordato che il tempo di elaborazione è parte integrante del calcolo del consumo di corrente medio.

La Figura 5 mostra un grafico della potenza rispetto al tempo di una particolare routine di elaborazione in un sistema con una frequenza di 48 MHz e la Figura 6 illustra un grafico della potenza in rapporto al tempo della stessa routine a 12 MHz.

Figura 5: Immagine del consumo di corrente con una routine elaborata a 48 MHz.

Figura 6: Immagine del consumo di corrente con una routine elaborata a 12 MHz.

In questo esempio, la routine elaborata a 48 MHz viene completata in ~300 μs e consuma circa 10 mA di picco durante il periodo. La routine elaborata a 12 MHz richiede 1,1 ms ma la corrente di picco è di soli 4 mA. La corrente media consumata durante il processo è maggiore a 12 MHz ma richiede una corrente di picco inferiore. In funzione della capacità dell'EHS, è possibile utilizzare un'impostazione di clock a 48 MHz (più veloce) o quella a 12 MHz (più lunga) o una combinazione di entrambe, dove le frequenze di clock vengono commutate tra un processo e un altro. Nella scelta di una frequenza di sistema ottimizzata, occorre prendere in considerazione questo profilo di corrente.

2.Avviamento di un dispositivo a bassa potenza

Quando viene acceso un dispositivo embedded, deve essere completata una procedura di avviamento prima di eseguire un codice applicativo. Una sequenza di avviamento tipica include:

1. Inizializzazione della memoria
2. Impostazione dei vettori di interrupt
3. Configurazione della periferica e dei registri comuni
4. Inizializzazione del clock esterno, se presente

Ognuna di queste fasi richiede il completamento del tempo di elaborazione della CPU, il che però consuma energia. La quantità di energia consumata dipende dal tipo di dispositivo utilizzato, dalla frequenza del clock di sistema, dalla dimensione del set memoria/registro da inizializzare e dal tempo necessario a impostare i clock esterni. Di conseguenza, il processo di avviamento è un'attività che consuma molta energia e dovrebbe essere ottimizzata in modo da non drenarne in eccesso dall'uscita dell'EHS. Di seguito sono elencati i fattori da tenere a mente quando si scrive il codice di avviamento:

1. Inizializzare solo le sezioni di memoria e i registri che verranno utilizzati. Lasciare gli altri set sui valori predefiniti

La maggior parte dei sistemi wireless richiedono clock esterni ad alta precisione. Questi clock, come un oscillatore di clock esterno o un oscillatore a cristallo di temporizzazione, hanno lunghi tempi di stabilizzazione dopo l'avvio. Invece di attendere in modo attivo che i clock si stabilizzino, sarebbe conveniente mettere il sistema in modalità a bassa potenza (sospensione/sospensione profonda) e riportarlo attivo solo quando i clock sono pronti. A tale scopo, utilizzare un timer interno.

3.Avviamento del sistema a bassa potenza

Non appena il dispositivo inizia ad eseguire il codice dell'applicazione, in genere è necessario avviare le varie periferiche del sistema. Tali periferiche potrebbero essere all'interno del sistema, come un ADC, o all'esterno, come un sensore. Anche se il tempo di avviamento potrebbe non essere eccessivo per le singole periferiche, il tempo complessivo di impostazione potrebbe richiedere abbastanza tempo di elaborazione da prosciugare l'energia immagazzinata nell'EHS. Innanzitutto calcolare il tempo di avviamento di ciascuna periferica per una data frequenza di CPU. Quindi determinare se il budget energetico per avviare tutte le periferiche (più veloce) è accettabile o se la procedura di avvio deve essere eseguita in fasi (più lento).

4.Elaborazione dell'applicazione in fasi

Il dispositivo avrà varie routine applicative, ciascuna delle quali richiede la propria larghezza di banda della CPU. Tra queste routine sono incluse attività come la configurazione di una periferica, la ricezione dei dati dai sensori, l'effettuazione di calcoli e la gestione di eventi ed interrupt. Assicurarsi che l'energia richiesta per queste elaborazioni non superi la capacità dell'EHS. Se la supera, suddividere le routine in subroutine più piccole e gestirle in fasi. In tal modo è possibile ripartire sull'EHS il carico in impulsi di corrente gestibili che permettono all'EHS stesso di ricaricarsi tra un processo attivo e l'altro della CPU.

Inoltre, tra una fase e l'altra, porre il sistema in modalità bassa potenza con la fonte di riattivazione come interrupt da un contatore o da un timer watchdog. Con il sistema nelle modalità in bassa potenza per la maggior parte del tempo, la domanda di corrente in questi periodi deve essere quanto più bassa possibile. Più il sistema è efficiente in queste modalità, meno richiederà la ricarica tra le fasi e più velocemente sarà in grado di effettuare le sue attività.

5.Trasmissione wireless

Una volta raccolti i dati, occorre che siano trasmessi via BLE. Tale trasmissione può essere effettuata sia su connessione BLE che su diffusione BLE. Da notare che l'uso di radiofari basati su energy harvesting è limitato al "BLE advertisement" (notifica tramite BLE). Ciò avviene perché questo processo richiede una notevole quantità di energia per attivare una connessione BLE prima che possa essere usata per trasferire i dati. In generale, l'attività radio, sia in trasmissione (TX) che in ricezione (RX), è un'operazione ad alto consumo energetico nei dispositivi wireless. Assicurarsi che l'attività BLE avvenga come processo indipendente, che viene raggruppato a un altro processo solo se l'uscita dell'EHS può fornire sufficiente corrente di picco.

Progetti efficienti con soluzioni BLE e PMIC Cypress

I PMIC (CI per la gestione del consumo energetico) con energy harvesting di Cypress Semiconductor consentono di realizzare delle soluzioni senza batteria per sensori e reti wireless. Il controllo preciso sulla potenza in uscita con una conversione efficiente fa di questi dispositivi una scelta ideale per applicazioni BLE a bassa potenza e ridotte dimensioni, come i radiofari e i nodi sensore wireless. Possono essere utilizzati sia in soluzioni senza batteria che assieme a una batteria (ad esempio Li-ion) come fonte di alimentazione tampone. I PMIC ottimizzati, come S6AE101A (ottimizzato per EHD a luce solare o artificiale) garantiscono un consumo energetico estremamente basso sia per la fase di avviamento che per i periodi di quiescenza, il che consente l'utilizzo di una sottile cella solare per ridurre al minimo il fattore di forma generale. Un PMIC EHS come MB39C831 può avviarsi da una bassa tensione e adattarsi ai requisiti di potenza dell'applicazione usando una caratteristica denominata Inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). La tecnologia MPPT permette al convertitore c.c./c.c. interno di controllare la carica seguendo la potenza in ingresso, quindi massimizzando l'uscita di potenza.

I PMIC con energy harvesting di Cypress si adattano a numerose applicazioni. Ad esempio, la famiglia MB39C8xx supporta dispositivi EHS basati su energy harvesting solare, da vibrazioni e termico. Per sistemi più complessi, la famiglia S6AE10xA di PMIC ottimizzati per il solare può controllare più uscite e dispositivi di immagazzinaggio.

Un altro aspetto dei radiofari wireless senza batteria è la scelta di un MCU. Gli MCU integrati come sistemi programmabili, ad esempio dispositivi system-on-chip (SoC) con supporto di varie modalità di bassa potenza, sono una buona scelta per tali applicazioni. Ad esempio, i SoC programmabili (PSoC) di Cypress offrono una stretta integrazione con vari tipi di periferiche che possono essere utilizzate per interfacciarsi con i sensori. Il BLE PSoC 4, in particolare, contiene periferiche a bassa potenza con una radio BLE e stack BLE integrato che consentono di progettare un nodo sensore BLE a chip singolo. Inoltre, il supporto per le modalità a bassissimo consumo permette ai sistemi di operare in modo affidabile utilizzando fonti energetiche ridotte come gli energy harvester e le batterie a bottone. Questi harvester abbinati a PSoC dimostrano di essere un progetto ottimizzato per applicazioni di nodi sensore BLE senza batteria.

Per apprendere meglio la progettazione di sistemi wireless efficienti in applicazioni di energy harvesting, fare riferimento alla nota applicativa, Introduzione alla tecnologia Bluetooth Low Energy. Per informazioni più dettagliate sull'ottimizzazione di sottosistemi BLE per l'energy harvesting, vedere Progettare per la bassa potenza e stimare la durata di una batteria per applicazioni basate su BLE. Oltre a ciò, è possibile leggere qui un'introduzione ai circuiti integrati per la gestione della potenza.

Appendice

A1: Illustrazioni dell'oscilloscopio di vari processi in un nodo sensore BLE alimentato da EHS

Questa figura mostra le variazioni di tensione di uscita dell'EHS rispetto alle elaborazioni della CPU su un certo periodo di tempo. Il segnale giallo è la tensione di uscita dell'EHS e quello verde è la corrente consumata dal dispositivo embedded. I picchi verdi sono i consumi di corrente durante il processo attivo della CPU. Il segnale piatto si verifica quando il dispositivo è in modalità a bassa potenza. Notare che la tensione di uscita dell'EHS scende in occasione di ogni attività della CPU (picchi di segnale verdi) a causa del suo consumo energetico. Inoltre, si può notare che la tensione risale durante gli stati di bassa potenza mentre l'EHS ricarica l'ESD.

La figura mostra la tensione di uscita dell'EHS rispetto all'attività della CPU senza ricarica dell'ESD nell'EHS. Va osservato che via via che l'energia si esaurisce, la tensione scende sotto la tensione di soglia, quando l'uscita dell'EHS viene disattivata.

Consumo di corrente (segnale verde) all'avvio del dispositivo:

Attività di trasmissione del BLE in un radiofaro alimentato tramite energy harvesting: