Sensori wireless a basso consumo

La situazione attuale è la seguente: Secondo le previsioni di Bosch, Texas Instruments e Hewlett-Packard, il numero di sensori installati ogni anno tra il 2017 e il 2025 dovrebbe aggirarsi tra 1 e 10 trilioni. A fronte di una crescita così rapida, che influisce anche sui requisiti di archiviazione, elaborazione e trasmissione dei dati, la sostenibilità diventa un fattore di fondamentale importanza. Quindi, quando si parla di funzionamento di sensori, è fortemente raccomandabile, se non assolutamente necessario, disporre di soluzioni di “energy harvesting” per il recupero di energia dall’ambiente.

I sensori moderni a basso consumo consentono di controllare con precisione diverse applicazioni, a livello locale, remoto o autonomo. Sono componenti essenziali, venduti in tutto il mondo per una vasta gamma di applicazioni. La caratteristica eccezionale di questi sensori è che, grazie alla tecnologia di recupero dell’energia, possono funzionare senza collegamento alla corrente e senza batterie. Il diagramma di flusso in Fig. 1 mostra l’elemento di recupero dell’energia come fonte energetica per un sensore tipico con un consumo energetico molto basso.

Fig. 1. Diagramma di flusso di un tipico sensore a bassissimo consumo energetico e alimentato da “energy harvesting”.

Un sensore autonomo comprende i seguenti elementi di sistema:

• Raccoglitore di energia
• Sensore/i
• Dispositivo di accumulo di energia
• Dispositivo di gestione dell’alimentazione
• Microcontrollore
• Elemento per connettività wireless

Una delle sfide cruciali nella progettazione di questo tipo di sistema di sensori wireless è il mantenimento del budget energetico (tensione di esercizio; correnti di esercizio di picco, di riposo e medie).

I principali tipi di energia normalmente forniti dalla natura o dall’ambiente sono relativamente facili da recuperare:

• Energia dalla luce: la luce solare e l’illuminazione interna ed esterna possono essere convertite in elettricità tramite celle solari. Per funzionare in modo efficiente, queste celle dovrebbero essere ottimizzate per la distribuzione tipica della luce incidente.

• Energia meccanica: gli oggetti che vibrano o si muovono possono generare elettricità. I materiali piezoelettrici possono fornire facilmente una tensione significativa, pari a centinaia di volt. Tuttavia, questo tipo di fonte energetica ha un’impedenza interna molto elevata e, di conseguenza, un raccoglitore piezoelettrico non riesce a generare molta energia. Inoltre, la polarità della tensione e della corrente è invertita, a seconda della direzione della variazione della vibrazione.

  L’energia meccanica derivante dalla pressione o dal movimento di un oggetto, come un interruttore, può generare una corrente quando l’azione modifica il flusso di un nucleo magnetico situato in una bobina. Un esempio è un raccoglitore di energia (Fig. 2) di ZF.

Fig. 2. Raccoglitore di energia di ZF (immagine: RS)

• Energia termoelettrica: se la temperatura in un punto della superficie di un oggetto è diversa da quella di un punto vicino, questa differenza di temperatura può essere convertita direttamente in corrente elettrica per via dell’effetto Seebeck.
• Onde elettromagnetiche: le emissioni radio sono utilizzate nelle comuni soluzioni RFID, ad esempio nelle carte bancarie, sia per il trasferimento dei dati che per l’alimentazione.

La Tabella 1. mostra l’andamento delle fonti energetiche.

Tabella 1. Parametri di ciascuna fonte energetica.

Esistono così tanti tipi e produttori diversi di mini sensori per la misurazione di grandezze fisiche che sarebbe impossibile menzionarli tutti qui. Alcuni dei fornitori di chip MEMS sono: STMicroelectronics, Bosch Sensortec, Texas Instruments, NXP, Analog Devices, Seiko Epson, Infineon Technologies, Murata, Sensata e Melexis.

Il sistema di accumulo di energia funge da cuscinetto tra il carico e il raccoglitore di energia. Fornisce energia al sistema elettronico quando il raccoglitore non è in grado di fornirla o di fornirne in quantità sufficiente. Le batterie ricaricabili, i supercondensatori e le batterie allo stato solido possono essere utilizzati per immagazzinare energia elettrica in sistemi di sensori wireless con un consumo energetico molto basso.

• Batterie ricaricabili: sono disponibili in molte diverse composizioni chimiche, forme, dimensioni e capacità. Le loro caratteristiche e specifiche, che non sono standardizzate, possono avere un impatto significativo sulle prestazioni.
• Supercondensatori: i supercondensatori sono simili ai normali condensatori, tranne per il fatto che offrono capacità maggiori. Sono di forma cilindrica e rettangolare. Un supercondensatore delle dimensioni di un pollice ha una capacità che va da 1 farad a 2,5 V. I supercondensatori sono caratterizzati da correnti di dispersione relativamente elevate. Se vengono utilizzati con un raccoglitore di energia, quest’ultimo deve fornire prestazioni sufficientemente elevate. Ad alte temperature, la loro capacità è invece inferiore. I supercondensatori della serie 235 EDLC-HVR ENYCAP di Vishay (Fig. 3) sono i primi al mondo nel loro genere con una durata di 2.000 ore a +85°C, secondo quanto dichiarato dal produttore. Vengono utilizzati a 85°C e 85% di umidità relativa. Vengono testati sotto tensione per 1.500 ore. I condensatori sono disponibili in 15 formati da 10 mm x 20 mm a 18 mm x 40 mm, gamma di capacità: da 5F a 60F.

Fig. 4. CeraCharge di TDK (immagine: RS)

Come accennato in precedenza, le soluzioni di sensori wireless con un consumo energetico molto basso richiedono un dispositivo di gestione dell’alimentazione, a causa delle loro tensioni e correnti variabili. Questo componente converte le tensioni e correnti non regolate in energia elettrica regolata che può essere immagazzinata. Può anche trasferire energia al carico del sistema alla giusta tensione. In genere, un chip di gestione dell’alimentazione conterrà circuiti per proteggere sia il carico che l’accumulo di energia:

• Protezione da sottotensione: questo circuito di protezione interrompe l’alimentazione del carico e passa al carico di standby dell’accumulo di energia quando la tensione di uscita del raccoglitore di energia diventa troppo bassa. Questa potenzialità è importante per proteggere la batteria da una scarica eccessiva, che potrebbe danneggiarla in modo permanente o farle perdere la capacità di accumulo in parte o completamente.
• Protezione da sovratensioni: questa funzione monitora la tensione di carica. Se la tensione diventa troppo alta, il chip di gestione dell’alimentazione dirige la carica in eccesso a terra o inserisce elettronicamente un’alta impedenza tra il raccoglitore e l’accumulo di energia. Qualunque sia il metodo utilizzato, l’obiettivo è proteggere l’accumulo di energia.
• Protezione da sovracorrente: questo circuito di protezione ha una funzione simile a un fusibile domestico. Se il carico assorbe troppa potenza, il circuito di overflow lo isola dalla batteria e fa in modo che non si scarichi. Quando questa funzione è abilitata, di solito il sistema è in stato di errore.

Un esempio di chip di gestione dell’alimentazione è il MAX20361 di Maxim Integrated. Si tratta di un chip di controllo completamente integrato per la generazione di energia da fonti solari a cella singola o multipla. Il dispositivo richiede una corrente di riposo di 360 nA e dispone di un convertitore boost che parte da 225 mV (tipicamente). Per sfruttare al massimo la potenza erogata dalla sorgente, il MAX20361 è dotato della tecnologia Maximum Power Point Tracking (MPPT), di proprietà di Maxim Integrated, che elabora in modo efficiente da 15 μW a oltre 300 mW di potenza in ingresso disponibile. Il MAX20361 ha anche una funzione di ricarica integrata con circuito di protezione ottimizzato per batterie agli ioni di litio. Il chip può essere utilizzato anche per caricare supercondensatori, batterie a film sottile e condensatori convenzionali. Il circuito di carica integra una funzione di spegnimento programmabile della carica. Una descrizione del kit di valutazione MAX20361 (Fig. 5) è disponibile sul sito RS-DesignSpark.

Fig. 5. Kit di valutazione MAX20361. Si tratta di un chip di controllo completamente integrato per la generazione di energia da fonti solari a cella singola o multipla. (Immagine: RS)

La scelta del microcontrollore (MCU) è fondamentale per i sistemi integrati a bassissimo consumo energetico. Idealmente, dovrebbe avere almeno le seguenti caratteristiche:

• Molteplici modalità di attesa, sospensione o spegnimento per aumentare il più possibile la durata della batteria
• Buone prestazioni per un’elaborazione rapida ed efficiente
• Tempi di riavvio molto rapidi dalle modalità di attesa.

Quest’ultimo aspetto è importante perché i circuiti del sistema di sensori sono progettati per durare il più a lungo possibile in uno stato a basso consumo, prima di passare a una modalità operativa che consuma più energia. Ad esempio, il microcontrollore Renesas RX111 presenta queste caratteristiche.

È possibile programmare tre modalità di funzionamento dell’RX111 (alta velocità, media velocità e bassa velocità) e tre modalità a bassa potenza (sospensione, sospensione profonda e standby software) per utilizzare varie combinazioni di funzioni on-chip. Per le applicazioni di sensori, un requisito comune potrebbe essere la riattivazione del sistema quando si verifica un evento, ad esempio, o l’avvio a intervalli regolari utilizzando l’orologio in tempo reale (RTC) integrato.

Fig. 6. MCU Analysis Board, RX111 (immagine: RS)

I requisiti di tensione di alimentazione del microcontrollore non sono influenzati dalle modalità di funzionamento a potenza controllata. Il funzionamento è sempre consentito sull’intera gamma del componente da 1,8 V a 3,6 V. Tuttavia, le frequenze di clock che possono essere utilizzate nelle modalità ad alta, media e bassa velocità dipendono dalla tensione di alimentazione.

Nelle modalità di sospensione a risparmio energetico, sospensione profonda e standby del software del microcontrollore, vengono interrotte o disattivate varie funzioni su chip:

• Modalità di sospensione: la CPU viene fermata e i dati vengono salvati. Ciò riduce il consumo energetico dinamico della CPU, che contribuisce in modo significativo alla corrente operativa totale del microcontrollore. Il microcontrollore si riattiva in 0,21 μs con una frequenza di clock di 32 MHz.
• Modalità di sospensione profonda: la CPU, la RAM e la memoria flash vengono fermate e i dati vengono salvati. Funzionando a 32 MHz con più periferiche attive, la corrente operativa tipica è di 4,6 mA. Il chip necessita di 2,24 μs affinché la CPU si riattivi dalla modalità di sospensione profonda e passi alla modalità di esecuzione.
• Modalità standby del software: vengono fermati il PLL e tutti gli oscillatori, tranne Sub-Clock e IWDT (Independent Watchdog Timer). Vengono arrestati quasi tutti i moduli della CPU RX111, SRAM, Flash, DTC (Data Transfer Controller) e i moduli periferici e vengono salvati i dati. Il circuito di ripristino dell’accensione continua a funzionare. Se necessario, possono essere utilizzati anche i moduli IWDT, RTC e LVD (Low Voltage Detection). Il consumo energetico in questa modalità è compreso tra 350 nA e 790 nA, a seconda che vengano utilizzate le funzioni LVD e RTC. Quando si attiva la modalità di esecuzione a 4 MHz, il funzionamento della CPU inizia dopo un ritardo di 4,8 μs. Quando si attiva la modalità superveloce a 32 MHz, il tempo di attesa arriva a 40 μs.

Sebbene le modalità di sospensione, sospensione profonda e standby del software dell’MCU RX111 siano molto utili per ridurre il consumo energetico, è possibile ottenere ulteriori riduzioni con altre tecniche. Ad esempio, è possibile impostare singolarmente diversi rapporti di divisione segnale-frequenza di clock. Ogni modulo periferico nell’RX111 ha anche un bit di controllo di arresto separato.