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Drahtlose Sensorknoten gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Einer der Hauptvorteile eines solchen drahtlosen Sensorknotens ist seine Fähigkeit, Daten verschiedener Parameter ständig zu überwachen. Diese Sensoren werden z.B. in Wasserleitungssystemen zur Überwachung von Flüssigkeits- und Durchflussparametern eingesetzt. Die Energieversorgung ist eine der Herausforderungen solcher Sensorknoten. Es handelt sich dabei um batteriebetriebene Geräte, und wenn die Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, müssen sie ausgetauscht oder wieder aufgeladen werden. Da drahtlose Sensorknoten häufig an abgelegenen Orten installiert werden, ist ein Austausch der Batterien nicht immer praktikabel. Eine Möglichkeit, diese Herausforderung zu überwinden, ist der Einsatz von Energy Harvesting im drahtlosen Sensorknoten. Mit Hilfe solcher Energy Harvester kann vorhandene Energie aus der Umgebung, z.B. mechanische, thermische oder photovoltaische Energie, aufgefangen und in elektrische Energie umgewandelt werden.

Wie funktioniert ein drahtloser Sensorknoten?

Ein drahtloser Sensorknoten besteht in der Regel aus vier Hauptkomponenten:

• Stromquelle
• Mikrocontroller (MCU)
• Kommunikationsmodul
• Sensor

Dieser Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt und dient als Grundarchitektur für einen Sensorknoten.

Abbildung 1: Architektur eines drahtlosen Sensorknotens (Quelle: Mouser Electronics)

Entwicklungsingenieure haben versucht, den Stromverbrauch innerhalb des drahtlosen Sensorknotens zu regulieren, indem sie seinen Betrieb auf Basis von Arbeitszyklen programmieren. Dabei befindet sich der Sensorknoten ständig im stromsparenden Modus (Tiefschlaf) und wird für die Datenerfassung, Berechnungen, Messungen und Kommunikation kurzzeitig aktiviert. In Abbildung 2 ist dieses Funktionsprinzip dargestellt.

Abbildung 2: Arbeitszyklus-Diagramm eines drahtlosen Sensorknotens (Quelle: Mouser Electronics)

Im Durchschnitt liegt die Leistungsaufnahme eines Mikrocontrollers im Ruhezustand im nW-Bereich, und wenn er sich im aktiven Modus befindet, steigt die Leistungsaufnahme in den µW-Bereich. Der aktive Modus ist dabei jedoch nicht das Hauptelement der Leistungsaufnahme, da dieser in der Regel nur für eine kurze Zeit (Millisekunden) andauert. Der Ruhestrom zieht den größten Teil der Energie aus den Batterien. Daher ist es beim Design eines drahtlosen Sensorknotens entscheidend, einen Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch im Ruhezustand zu wählen.

Mit dem MSP430FR600x bietet Texas Instruments beispielsweise einen Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch an, der sich ideal für die Ultraschall-Wasserströmungsmessung eignet. Dieser Mikrocontroller verbraucht im aktiven Modus etwa 120 µA/MHz und im Standby-Modus 450 nA.

Ein weiteres Produktbeispiel, das sich ideal für batteriebetriebene Geräte eignet, ist der Mikrocontroller Silicon Labs EFM32PG22. Er verfügt über einen 76,8 MHz ARM Cortex^®-M33 Prozessor und verbraucht im aktiven Modus 26 µA/MHz. Der Ruhestrom des EFM32PG22 beträgt etwa 1,10 µA und kann bis auf 0,17 µA sinken.

Verlängerung der Lebensdauer von drahtlosen Sensorknoten mit Energy Harvesting

Die Lebensdauer eines drahtlosen Sensorknotens lässt sich durch zwei Energy Harvesting-Ansätze verlängern:

1. Verlängerung der Batterielebensdauer durch Nachladen der Batterie mit der gewonnenen Energie.

Dafür wird eine Leistungsmanagement-Schaltung benötigt, um die gewonnene Energie in einer Batterie oder einem Superkondensator zu speichern. Die Leistungsmanagement-Schaltung besteht aus drei Hauptkomponenten: Gleichrichter, DC/DC-Wandler und Speicher.

• Gleichrichter: Eine Gleichrichtung ist nur für Energy Harvester erforderlich, die eine Wechselspannung erzeugen, z. B. elektromagnetische und piezoelektrische.
• DC/DC-Wandler: Der DC/DC-Wandler hat die Aufgabe, die erzeugte Spannung des Energy Harvesters zu steuern und zum Aufladen der Batterie zu verwenden.
• Speicher: Als Energiespeicher wird beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie oder ein Superkondensator verwendet.

Dieser Ansatz lässt sich am Beispiel des Photovoltaik-IoT-Demokits DEMPV-BLE von e-peas demonstrieren. Der DEMPV-BLE ist ein drahtloser Sensorknoten, der mit einer 35 mm x 50 mm großen photovoltaischen Solarzelle ausgestattet ist. Dieses Kit kann Helligkeit, Temperatur und Feuchtigkeit messen und die Daten über Bluetooth^® Low Energy (BLE) an ein Smartphone senden. Die integrierte Solarzelle kann genügend Energie für den Betrieb des Kits in einer Innenraumumgebung liefern. Die gewonnene Energie wird in einem 160 mF-Superkondensator gespeichert, wobei alle 10 Sekunden eine Beacon-Nachricht mit neuen Messungen gesendet werden kann, wodurch eine Betriebsdauer von fünf Stunden erreicht wird.

2. Die gewonnene Energie wird direkt für die Stromversorgung der drahtlosen Sensorknoten verwendet, so dass sie sich selbst mit Strom versorgen.

Dieser Ansatz liefert die erzeugte Energie direkt an den drahtlosen Sensorknoten, ohne dass ein Speicherelement erforderlich ist. Die einzige Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, sicherzustellen, dass die gewonnene Energie die Startleistung und die Sendeleistung des drahtlosen Sensorknotens decken kann. Dies soll am Beispiel des ON SemiconductorZigbee Green Power Energy Harvesting Kit erläutert werden. Ein Systemblockdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Kit beinhaltet einen elektromagnetischen Generator in Form eines Schalters, der die erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Mit jedem Schalterdruck wird ein 33 µF-Kondensator aufgeladen, der den NCP170 Low-Dropout (LDO) speist. Der NCP170 stellt dann eine 3,3 V-Versorgung für den Sender NCS36510 bereit. Dann sinkt die Spannung allmählich ab, bis sich das Bauelement NCS36510 abschaltet. Daraus ergibt sich eine mögliche Laufzeit von ca. 17 ms für das Bauelement. Das Hochfahren des Bauelements erfolgt in weniger als 5,6 ms, und es wird sofort eine einzelne Nachricht übertragen. Nach der Übertragung schaltet dieses Modul in den Empfangsmodus, um auf eine 802.15.4 ACK (Quittung) vom Empfänger zu warten. Nach dem Empfang wird das Funkmodul ausgeschaltet.

Abbildung 3: Systemblockdiagramm des Zigbee Green Power Energy Harvesting Kit (Quelle: On Semiconductor)

Fazit

Welche Erkenntnisse haben wir gewonnen? Wir haben einige der erhältlichen hoch energieeffizienten Mikrocontroller beschrieben, die sich ideal für die Entwicklung eines drahtlosen Sensorknotens eignen. Außerdem haben wir zwei verschiedene Arten von drahtlosen Sensorknoten vorgestellt, die durch Energy Harvesting mit Strom versorgt werden können. Ein Ansatz besteht darin, eine Batterie aufzuladen, die den drahtlosen Sensorknoten mit Strom versorgt, und der andere besteht darin, dass der drahtlose Sensorknoten direkt die vom Harvester erzeugte Energie nutzt. Die Entscheidung, welcher Ansatz für die Anwendung sinnvoll ist, hängt von der Leistungsaufnahme der Anwendung ab. Wenn der Energy Harvester den Stromverbrauch Ihrer Anwendung abdecken kann, dann spart der Verzicht auf eine Batterie Zeit und Geld.