Utilizzare un microcontroller per energy harvesting per evitare la sostituzione di una batteria IoT

I progettisti di dispositivi Internet delle cose (IoT) non collegati sono costantemente alla ricerca di modi migliori per alimentare questi dispositivi per ridurre al minimo i tempi di inattività nelle applicazioni consumer, commerciali o industriali. Le batterie primarie devono essere costantemente monitorate, e quando alla fine vengono sostituite, aggiungono un significativo problema di smaltimento. Le batterie ricaricabili mitigano il problema dello smaltimento, ma i dispositivi devono essere smontati, ricaricati e rimontati.

Le limitazioni degli approcci tradizionali hanno portato a un aumento dell'interesse per le tecniche di energy harvesting in cui l'energia ambientale viene utilizzata per alimentare un dispositivo. Il problema per i progettisti è che i circuiti necessari per raccogliere l'energia e ricaricare le batterie possono aggiungere molta complessità al progetto, alle dimensioni e ai costi.

Questo articolo spiega brevemente l'uso dell'energy harvesting nelle applicazioni IoT e delinea alcune delle sfide che i progettisti devono affrontare. Introduce poi un approccio che supera queste sfide integrando i circuiti di energy harvesting e di gestione della carica della batteria su un microcontroller (MCU). Utilizzando soluzioni di dispositivi di esempio e schede di valutazione associate di Renesas, l'articolo mostrerà come applicare l'approccio per eliminare efficacemente la necessità di sostituire la batteria nei dispositivi IoT.

Perché usare l'energy harvesting per l'IoT?

L'energy harvesting è una soluzione attraente per le applicazioni IoT come i sistemi di sensori wireless a bassa potenza, dove permette l'implementazione di dispositivi completamente wireless che richiedono poca o nessuna manutenzione. In genere, questi dispositivi hanno ancora bisogno di una batteria ricaricabile o di un supercondensatore per soddisfare le richieste di potenza di picco.

In linea di principio, raccogliendo l'energia ambientale, il sistema può impiegare un dispositivo di immagazzinaggio dell'energia più piccolo e prolungare la sua vita utile. A sua volta, il design IoT risultante può potenzialmente inserirsi in un contenitore più piccolo a patto che la funzionalità di energy harvesting aggiunga poco al numero di componenti del progetto. In pratica, però, la necessità di componenti aggiuntivi per implementare l'energy harvesting frustra i tentativi di ridurre l'ingombro.

Il problema è che una fonte di energy harvesting richiede tipicamente dispositivi separati per raccogliere l'energia ambientale e assicurare una corretta gestione della carica per un dispositivo di immagazzinaggio come una batteria ricaricabile o un supercondensatore. Aggiunta al progetto di un sistema wireless già minimalista che comprende un MCU, un sensore e un transceiver a radiofrequenza (RF), questa funzionalità può trasformare un progetto semplice con pochi componenti in uno relativamente complesso (Figura 1).

Figura 1: L'uso dell'energy harvesting nei dispositivi IoT può semplificare per gli utenti la manutenzione della batteria, ma i requisiti aggiuntivi hanno tipicamente portato a dispositivi sempre più grandi, a una maggiore complessità di progettazione e a costi più elevati; tutte cose che vanno contro i requisiti di un progetto IoT non collegato. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Minimizzare i componenti per i progetti IoT

Fino ad oggi, molti dei vari componenti richiesti per l'energy harvesting sono stati integrati in moduli specializzati e circuiti integrati di gestione della potenza (PMIC) come LTC3105/LTC3107 di Analog Devices, S6AE101A di Cypress Semiconductor, MCRY12-125Q-42DIT di Matrix Industries e molti altri. Tali dispositivi forniscono un rail di tensione regolato da una cella solare, un generatore termoelettrico (TEG), un trasduttore di vibrazioni piezoelettrico o un'altra fonte di energia. Come tali, possono servire come un'alimentazione completa di energy harvesting per un progetto hardware IoT di base. In ogni caso, i progettisti devono sforzarsi per soddisfare i requisiti delle applicazioni e mantenere o raggiungere un vantaggio competitivo.

La famiglia di MCU RE01 di Renesas aiuta a raggiungere questi obiettivi, dato che spinge l'approccio di integrazione con l'inclusione di un controller di energy harvesting (EHC) all'interno del dispositivo. Infatti, un MCU RE01 può utilizzare il suo EHC integrato per ricaricare una batteria secondaria mentre fornisce l'alimentazione di sistema al resto del dispositivo. Più che un semplice dispositivo di energy harvesting, RE01 include il suo EHC con un core Arm® Cortex®-M0+ da 64 MHz, una Flash su chip, un blocco TSIP (Trusted Secure Intellectual Property), un convertitore analogico/digitale (ADC) da 14 bit, timer e interfacce periferiche multiple (Figura 2).

Figura 2: Creata per semplificare la progettazione di dispositivi alimentati a batteria, la famiglia di microcontroller RE01 di Renesas combina un controller completo per energy harvesting con un core di processore Arm Cortex-M0+ a basso consumo, Flash su chip e molteplici periferiche e interfacce. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Progettato per semplificare l'implementazione di dispositivi IoT alimentati a batteria, RE01 integra un set completo di funzionalità periferiche rilevanti. Insieme al suo ADC e alle interfacce seriali per l'integrazione dei sensori, il dispositivo include un circuito di controllo del driver del motore (blocco "MTDV" in Figura 2) in grado di pilotare fino a tre motori; una sorgente di corrente costante in grado di pilotare tre diodi luminescenti (LED) esterni e un generatore di impulsi a bassa velocità (LPG). Per l'uscita del display, l'MCU RE01 integra un acceleratore grafico per l'elaborazione di immagini bidimensionali (2D) e un controller per display a cristalli liquidi (LCD) memory-in-pixel (MIP). Per i requisiti di controllo in tempo reale, l'MCU include anche un timer watchdog, un clock in tempo reale (RTC) e un circuito di correzione del clock (CCC) che mantiene la precisione. Per il codice software e i dati, la famiglia RE01 combina le funzionalità di cui sopra in dispositivi come R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) con 1500 kB di Flash, e R7F0E01182CFM (RE01 256KB) con 256 kB di Flash.

Insieme alle sue capacità funzionali, l'MCU RE01 offre molte opzioni per trovare l'equilibrio richiesto tra prestazioni e consumo energetico. L'MCU può funzionare in modalità operative multiple che minimizzano il consumo di energia riducendo la frequenza operativa dal massimo di 64 MHz a 32,768 kHz in una modalità a bassa corrente di dispersione, con frequenze intermedie in modalità operativa normale di 32 MHz o 2 MHz. Nel funzionamento tipico, R7F0E015D2CFP RE01 1500KB consuma tipicamente solo 35 µA/MHz di corrente attiva e solo 500 nA di corrente in modalità standby a 1,62 V. Il suo ADC a 14 bit consuma solo 4 µA e le riscritture della programmazione Flash richiedono solo circa 0,6 mA. Nel fornire l'alimentazione per queste operazioni normali, l'EHC dell'MCU RE01 integra un ampio set di capacità progettate per facilitare l'implementazione dell'energy harvesting e la gestione della batteria.

Il controller integrato per energy harvesting semplifica la progettazione

Grazie al suo EHC integrato, gli MCU RE01 rendono l'implementazione dell'energy harvesting un'operazione piuttosto semplice. Gli sviluppatori devono solo collegare un elemento generatore di energia come una cella solare, un TEG o un trasduttore di vibrazioni, direttamente ai pin VSC_VCC e VSC_GND dell'MCU. Quando è disponibile sufficiente energia ambientale, l'EHC può pilotare i pin di uscita dell'MCU per caricare una batteria secondaria (VBAT_EHC), un condensatore di immagazzinaggio (VCC_SU) e altri dispositivi esterni (Figura 3).

Figura 3: Il controller per energy harvesting integrato nell'MCU RE01 di Renesas permette agli sviluppatori di sfruttare rapidamente l'energy harvesting. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

La semplicità del progetto deriva dal set completo di blocchi funzionali contenuti nell'MCU RE01, come mostra la Figura 4.

Figura 4: Il controller per energy harvesting integrato nell'MCU RE01 di Renesas include tutte le funzionalità necessarie per utilizzare un elemento generatore di energia per generare le uscite di tensione richieste. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Insieme ai suoi blocchi funzionali, l'EHC fornisce diversi circuiti di monitoraggio della tensione, nonché registri di stato e di controllo multipli per orchestrare la distribuzione dell'energia elettrica. Ad esempio, il flag di stato di un elemento generatore di corrente (ENOUT) indica se quell'elemento sta generando corrente. Al contrario, un flag di monitoraggio del target di carica (CMPOUT) indica se la tensione di carica viene applicata alla batteria secondaria o al condensatore di immagazzinaggio. Ognuna di queste caratteristiche gioca un ruolo mentre l'EHC procede attraverso gli stati operativi associati all'avvio, alle operazioni normali e all'esaurimento della batteria (Figura 5).

Figura 5: Utilizzando i monitor di tensione interni, i flag di stato e i registri, il controller di energy harvesting integrato nell'MCU RE01 di Renesas supporta l'intera sequenza di carica, dalla carica iniziale all'esaurimento. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Quando un elemento generatore di potenza è collegato all'MCU, l'EHC entra nel periodo di carica iniziale. Qui, l'EHC permette all'alimentazione di fluire verso VCC_SU, caricando il condensatore di immagazzinaggio fino a quando il livello di tensione su VCC_SU non supera uno specifico livello di tensione di soglia, VCC_SU_H. A questo punto, l'EHC utilizza il condensatore di immagazzinaggio per iniziare a fornire energia al dominio del sistema, VCC. Quando VCC supera la tensione di soglia di accensione (VPOR), il segnale di reset all'accensione va alto, liberando il dispositivo dal reset e portando contemporaneamente ENOUT alto, indicando che l'elemento generatore di potenza è attivo.

Dopo il rilascio del reset all'accensione, il registro di controllo della carica VBAT_EHC dell'EHC, VBATCTL, è impostato su 11b, permettendo al dispositivo di iniziare a caricare la batteria secondaria. Infatti, durante questo periodo, l'EHC alterna la sua uscita di carica tra la batteria secondaria e il condensatore di immagazzinaggio per mantenere l'alimentazione VCC mentre la batteria si carica. Quando la tensione del condensatore di immagazzinaggio scende sotto un livello di tensione di soglia inferiore, VCC_SU_L, l'EHC commuta l'alimentazione a VCC_SU fino a raggiungere la soglia superiore VCC_SU_H, a quel punto riprende a caricare la batteria secondaria. Questo processo continua fino a quando la tensione della batteria di immagazzinaggio su VBAT_EHC raggiunge la soglia VBAT, VBAT_CHG (Figura 6).

Figura 6: Anche dopo che il controller integrato per l'energy harvesting (EHC) dell'MCU RE01 di Renesas inizia a caricare la batteria del dispositivo, l'EHC continua a mantenere la carica sul condensatore di immagazzinaggio, che fornisce l'alimentazione del sistema VCC finché la batteria non è completamente carica. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Dopo che la batteria è stata caricata, il bit QUICKMODE si imposta portando l'EHC nello stato di funzionamento stabile. In questo stato, l'EHC continua a caricare la batteria dall'elemento generatore di energia, mentre fornisce simultaneamente energia dalla batteria al dominio VCC.

Se l'energia ambientale scende e l'elemento generatore di energia smette di fornire energia, l'EHC continua a fornire VCC dalla batteria. Alla fine, il monitor di tensione interno rileverà che VBAT_EHC è sceso sotto una soglia preimpostata, V_det1, e il bit QUICKMODE sarà azzerato. Una volta che questo bit è impostato, l'alimentazione è interrotta al dominio VCC e i registri EHC sono inizializzati. Un'ulteriore riduzione di VCC al di sotto di V_POR fa sì che il dispositivo reimposti il segnale di reset all'accensione. Per riprendere il funzionamento, il dispositivo deve di conseguenza eseguire la sequenza di ricarica iniziale dopo che l'energia ambientale è salita a livelli sufficienti.

Il kit di valutazione aiuta la prototipazione rapida

Mentre l'EHC incorporato inl RE01 elimina la necessità di componenti aggiuntivi, per utilizzare le sue caratteristiche, gli sviluppatori devono configurare il dispositivo ed eseguire la serie di operazioni prescritte di cui sopra. Per aiutarli a passare rapidamente alla prototipazione rapida e allo sviluppo personalizzato con la famiglia RE01, Renesas fornisce i kit di valutazione pronti all'uso RTK70E015DS00000BE e RTK70E0118S00000BJ rispettivamente per RE01 1500KB e RE01 256KB. Infatti, il kit RE01 1500KB offre una piattaforma di sviluppo chiavi in mano che include la scheda MCU RE01 1500KB (Figura 7), una scheda di espansione LCD, un pannello solare e un cavo USB. Insieme all'MCU RE01, la scheda di sviluppo include un supercondensatore di immagazzinaggio, un connettore per una batteria ricaricabile esterna, interruttori, LED, un debugger su scheda e connettori di interfaccia multipli, compresa una basetta Arduino Uno.

Figura 7: Il kit di valutazione RE01 1500KB di Renesas include una scheda MCU RE01 1500KB con un debugger su scheda e molteplici opzioni di interfaccia progettate per aiutare la valutazione, la prototipazione e lo sviluppo personalizzato. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Insieme alla piattaforma di sviluppo hardware fornita nel kit di valutazione, Renesas fornisce una serie completa di pacchetti software progettati per funzionare nell'ambiente di sviluppo integrato (IDE) Embedded Workbench di IAR Systems o nell'IDE e² Studio di Renesas. Costruito sul pacchetto driver Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) di Arm, il software usa costrutti software familiari agli sviluppatori di codice per processori basati su Arm.

Forse la cosa più importante è che le routine di esempio nei pacchetti software di Renesas forniscono un modello eseguibile per lo sviluppo di software personalizzato. Ad esempio, l'implementazione della sequenza operativa dell'EHC mostrata nella Figura 5 richiede una serie di procedure di inizializzazione necessarie per minimizzare il consumo di energia durante le fasi chiave, come la carica iniziale e la carica secondaria della batteria. Una routine di avvio fornita con il software di esempio dimostra ciascuna di queste procedure di inizializzazione e configurazione. Ancora meglio, Renesas fornisce agli sviluppatori un percorso chiaro per utilizzare questa routine di avvio per cambiare i parametri secondo necessità e inserire il proprio codice software nella sequenza di avvio (Figura 8).

Figura 8: Incluso nella distribuzione del software Renesas, il codice di esempio per l'avvio delle capacità di energy harvesting dell'MCU RE01 dimostra ogni passo necessario, evidenziando dove gli sviluppatori possono modificare i parametri o inserire il proprio codice software. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Utilizzando il kit di valutazione di Renesas e i relativi pacchetti software, gli sviluppatori possono esplorare rapidamente diverse modalità operative dell'MCU RE01 e valutare i metodi di energy harvesting. In seguito, questo ambiente fornisce una piattaforma efficace per prototipare rapidamente la propria applicazione e lo sviluppo personalizzato.

Conclusione

L'energy harvesting offre una soluzione efficace per ridurre le dimensioni della batteria e prolungarne la durata in sistemi a bassa potenza come i dispositivi IoT, ma l'approccio può aumentare di molto la dimensione complessiva del progetto, la complessità e il costo. È necessario un approccio più integrato.

Confezionata con più blocchi funzionali e periferiche, una famiglia di MCU di Renesas include un sottosistema completo di energy harvesting su chip che ottimizza e semplifica la progettazione di un sistema di energy harvesting. Lavorando con le schede di sviluppo e il software associati, gli sviluppatori possono rapidamente valutare, prototipare e costruire progetti personalizzati in grado di trarre il massimo vantaggio dai benefici dell'energy harvesting utilizzando dispositivi piccoli e a basso costo.