Recolección de energía y Bluetooth® de baja energía: Diseño de una lámpara sin baterías

Resumen de transmisores de datos siempre encendidos con mantenimiento cero

Los teléfonos inteligentes han traído cambios importantes en nuestra vida diaria. Ellos son nuestra puerta de entrada a la información requerida que se refiere a nuestra salud, ambiente e incluso nuestras compras. Por desgracia, en la mayoría de los casos de hoy en día, los usuarios tienen que iniciar una acción cuando quieren datos. Esto puede ser ineficiente, ya que los usuarios pueden no saber cómo buscar la información (por ejemplo, ofertas de un producto en una tienda).

La solución es tener un sistema que haga que los datos de situación específica estén disponibles para los teléfonos inteligentes, de modo que la información correcta pueda ser presentada al usuario. Estos datos pueden ser de un sensor o de un identificador único asociado con un objeto o ubicación. Aquí es donde las balizas entran en escena.

En la terminología inalámbrica, una baliza es un dispositivo que transmite datos que pueden ser recibidos por otros dispositivos cercanos. Idealmente, los datos de difusión se pueden recibir sin intervención del usuario, lo que hace que la transferencia se realice sin problemas. Bluetooth^® de baja energía tiene esta capacidad y, por consiguiente, se ha convertido en la opción ideal para la comunicación

El bluetooth de baja energía (BLE) se utiliza ampliamente para la comunicación inalámbrica de bajo consumo de energía en aplicaciones que requieren la transferencia de datos dentro de un radio relativamente pequeño, por lo general menos de 10 metros. Considere la posibilidad de un nodo de sensores inalámbricos (WSN). Los datos pueden ser recogidos por una WSN y enviados a un teléfono inteligente. La figura 1 muestra un flujo de aplicación típica para estos tipos de nodos de sensores:

Figura 1: diagrama de flujo típico de dispositivos de sensores bluetooth de baja energía.

Las balizas y sensores tienen que ser alimentados de una fuente que les permita funcionar de forma continua, al mismo tiempo que mantienen el factor de tamaño y forma del dispositivo general. Alimentar estos dispositivos de una fuente por cable rara vez es posible debido a que están posicionados en el cuerpo de una persona o colocados de forma remota. Por lo tanto, cualquier caso de uso que requiera cables para la energía normalmente no tiene sentido. Adoptar un enfoque de funcionamiento a batería presenta problemas como la vida útil limitada, la necesidad de recargar las baterías con frecuencia y un impacto ambiental negativo derivado del desecho final de la batería.

Si de verdad queremos balizas que no requieran ningún tipo de mantenimiento, entonces tenemos que utilizar la energía no recolectada del ambiente circundante como la luz, el movimiento, la presión o el calor. Esto permitirá un enfoque de "instalar y olvidar", en el que las balizas y los sensores pueden permanecer alimentados a lo largo de la vida útil del dispositivo.

Recolección de energía

La recolección de energía es un método que consiste en recoger cantidades diminutas de energía desaprovechada del ambiente circundante y almacenarla. Cuando se ha guardado energía suficiente, un sensor puede realizar tareas como la recolección de datos y la transmisión mediante bluetooth de baja energía a otro dispositivo.

Figura 2: diagrama de bloques del dispositivo de recolección de energía WSN

Un sistema de recolección de energía (EHS) es un circuito que incluye un dispositivo de recolección de energía (EHD), un circuito integrado de administración de energía (PMIC) y un dispositivo de almacenamiento de energía (EDS). El "goteo" PMIC carga el dispositivo de almacenamiento de energía (generalmente un condensador) con la energía proporcionada por un EHD como una célula solar, un sensor de vibración o un dispositivo piezoeléctrico. El EHS utiliza entonces esta carga almacenada para proporcionar energía a otro dispositivo integrado. Según el estado del sensor, la potencia de salida EHS varía. Cuando está activa, la energía se consume y el voltaje del EHS empieza a caer. Cuando está en un estado de baja potencia, el voltaje del EHS se eleva debido a que el dispositivo de almacenamiento de energía se carga más rápido de lo que se agota. La figura 3 muestra un ejemplo de voltaje de salida de un EHS que varía con la actividad del dispositivo integrado durante un período de tiempo.

Figura 3: variación de salida de EH debido a la actividad del dispositivo durante un período de tiempo.

Para los dispositivos accionados por un EHS, la energía consumida durante un estado activo no puede exceder la energía disponible en el EHS. La figura 4 muestra un sistema potenciado por EHS donde el consumo de energía durante un estado activo es mayor que la cantidad que el EHS puede proporcionar. El voltaje de salida del EHS cae lentamente debido al consumo y con el tiempo cierra la salida completamente.

Figura 4: gráfico de apagado de WSN debido a la potencia insuficiente.

Para diseñar un sistema robusto potenciado por la recolección de energía, todos los aspectos del sistema integrado deben ser optimizados en cuanto a energía para que funcione sin problemas mientras se potencia por el EHS. Hay muchos subsistemas en un sistema de este tipo que pueden requerir mucha energía y necesitan ser optimizados para asegurarse de que no tiren abajo la salida de la EH. Algunas de las áreas clave que tratar a la hora de optimizar la energía son:

1.Frecuencia de reloj de la unidad central de procesamiento

La frecuencia de reloj del sistema decide qué tan rápido se va a procesar una rutina particular y la cantidad de energía que va a consumir durante ese tiempo. Un reloj más rápido significa un procesamiento más rápido pero un consumo de energía más alto. Además, cada dispositivo tiene un cierto requisito de frecuencia de reloj mínima y máxima, que no debe ser violada.

Para los diseños basados en EHS, una frecuencia de reloj optimizada tiene que ser elegida con respecto a los dos factores siguientes:

• Consumo promedio de corriente
• Consumo pico de corriente

La capacidad de EHS debe tener en cuenta estos dos factores. La corriente promedio es el promedio de tiempo de corriente requerida durante un estado activo particular. Sin embargo, la corriente pico es el requisito de corriente máxima instantánea del estado activo y es a menudo mucho más alto que la corriente promedio. Es posible que la corriente promedio requerida esté dentro de la capacidad del EHS, pero que el pico de corriente cause el agotamiento repentino de la energía del EHS, haciendo que el voltaje caiga por debajo de la tensión de corte. Tenga en cuenta que el tiempo de procesamiento es parte del cálculo de consumo de corriente promedio.

La figura 5 muestra la potencia frente al diagrama de tiempo de una rutina particular procesada a una frecuencia de sistema de 48 MHz; la figura 6 muestra la potencia frente al diagrama de tiempo de la misma rutina a 12 MHz.

Figura 5: consumo de corriente al procesar una rutina a 48 MHz.

Figura 6: consumo de corriente al procesar una rutina a 12 MHz.

En este ejemplo, la rutina procesada a 48 MHz toma ~300 μs para completarse y consume aproximadamente 10 mA como pico durante este período. La rutina procesada a 12 MHz tarda 1,1 ms para completarse, pero consume solo 4 mA como pico de corriente. La corriente promedio consumida durante el proceso es mayor a 12 MHz, pero tiene un requisito de pico de corriente inferior. Según la capacidad de EHS, se puede seguir adelante con una breve configuración de reloj a 48 MHz, una configuración de reloj más larga a 12 MHz o una mezcla de ambas, donde las frecuencias de reloj se cambian de un proceso a otro. Tales perfiles de corriente deben tenerse en cuenta durante la selección de la frecuencia del sistema optimizado.

2.Dispositivo de arranque de baja potencia

Cuando se enciende un dispositivo integrado, debe completar un procedimiento de arranque antes de poder ejecutar un código de aplicación. Una secuencia típica de arranque incluye:

1. Inicialización de la memoria
2. Configuración de vectores de interrupción
3. Configuración de registros periféricos y comunes
4. Inicialización de relojes externos, si los hay

Cada uno de estos pasos toma tiempo de procesamiento de la unidad central de procesamiento para completarse, lo que a su vez consume energía. La cantidad de energía consumida depende del tipo de dispositivo utilizado, la frecuencia de reloj del sistema, el tamaño del set memoria/registro que se está inicializando y el tiempo que se necesita para configurar los relojes externos. Por lo tanto, el proceso de arranque es una actividad que consume mucha energía y debe ser optimizada de manera que no consuma una cantidad excesiva de energía a partir de la salida de EH. Los factores que se deben tener en cuenta al escribir un código de arranque son:

1. Inicializar solo aquellas secciones de memoria y registros que se utilizarán. Dejar los otros establecidos en los valores predeterminados

La mayoría de los sistemas inalámbricos necesitan relojes externos de alta precisión. Estos relojes, como un oscilador de reloj externo u oscilador de cristal de reloj, tienen un gran tiempo de estabilización después del inicio. En lugar de esperar que los relojes se estabilicen en modo activo, el sistema debe ser puesto en un modo de bajo consumo (suspendido/suspendido profundo) y ser activado solo cuando los relojes estén listos para su uso. Use un temporizador interno para este propósito.

3.Arranque de sistema de bajo consumo

Una vez que el dispositivo comienza a ejecutar el código de aplicación, por lo general se requiere iniciar los periféricos individuales en el sistema. Estos periféricos puede ser internos al dispositivo, como un ADC, o pueden ser externos al dispositivo, como un sensor. Mientras que el tiempo de arranque puede no ser mucho individualmente para periféricos, el tiempo de configuración general combinado podría requerir tiempo de procesamiento suficiente para drenar la energía almacenada en el EHS. En primer lugar, calcule el tiempo de inicio de periféricos individuales para una frecuencia de unidad central de procesamiento. A continuación, determine si el presupuesto de energía para iniciar todos los periféricos juntos (más rápido) es factible o si el procedimiento de arranque debe ser ejecutado en etapas (más lento).

4.Procesamiento de aplicación en etapas

El dispositivo tendrá varias rutinas de aplicación que requieren su propio ancho de banda de la unidad central de procesamiento. Estas rutinas incluyen tareas como la configuración de un periférico, la recepción de datos de los sensores, la realización de cálculos y la gestión de eventos y alarmas. Asegúrese de que la energía requerida para este procesamiento no exceda la capacidad de la EHS. Si es así, divida las rutinas en subrutinas más pequeñas y gestiónelas en etapas. Esto permite que la carga en el EHS se divida en impulsos de corriente gestionables que permiten que la EHS se recargue entre procesos activos de la unidad central de procesamiento.

Además, entre cada etapa, coloque el sistema en modo de bajo consumo con una fuente de activación como una interrupción de un contador o temporizador de vigilancia. Dado que el sistema estará en modo de bajo consumo la mayor parte del tiempo, los requisitos de corriente durante estos modos deben ser lo más bajos posible. Cuanto más eficiente sea el sistema en estos modos, menos tiempo requerirá para recargarse entre etapas y será capaz de realizar tareas más rápido.

5.Transmisión inalámbrica

Una vez que se hayan recogido los datos, deben ser transmitidos a través de bluetooth de baja energía. Esta transmisión puede hacerse ya sea en una conexión o en una difusión de bluetooth de baja energía. Tenga en cuenta que el uso de balizas con recolección de energía se limita a anuncios de bluetooth de baja energía. Esto se debe a que se necesita una mayor cantidad de energía para configurar una conexión de bluetooth de baja energía antes de poder utilizar la conexión para transferir los datos. En general, la actividad de radio, ya sea de transmisión (TX) o recepción (RX), es la operación que más energía consume en un dispositivo inalámbrico. Asegúrese de que la actividad de bluetooth de baja energía se produzca como un proceso independiente que se agrupa con otro proceso, solo si la salida EH puede proveer esa cantidad de corriente pico.

Diseños eficientes con PMIC Cypress y soluciones de bluetooth de baja energía

Los CI de administración de alimentación mediante recolección de energía deCypress Semiconductor (PMIC) permiten una solución sin baterías para sensores y redes inalámbricas. Un control preciso de la potencia de salida con conversión eficiente de energía los convierten en una buena opción para aplicaciones de bluetooth de baja energía pequeñas y de bajo consumo, como balizas y nodos de sensores inalámbricos. Pueden ser utilizados en una solución sin batería o en combinación con una batería como la de ion-litio como fuente de respaldo de energía. Los PMIC optimizados, como el S6AE101A (un EHD optimizado por el sol o la luz), ofrecen un consumo de energía muy bajo en el arranque y en reposo, lo que permite el uso de una célula solar pequeña que minimiza el factor de forma general. Un PMIC EH, como el MB39C831, puede arrancar desde un voltaje bajo y adaptarse a los requerimientos de energía de la aplicación usando una característica llamada funcionalidad de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). La MPPT le permite controlar la carga de salida al convertidor interno de CC/CC, siguiendo la potencia de entrada y maximizando así la potencia de salida.

Los PMIC de recolección de energía de Cypress se adaptan a una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, la familia MB39C8xx de PMCI opera con dispositivos EH basados en energía solar, vibración y temperatura. Para sistemas más complejos, la familia S6AE10xA de PMIC optimizados de manera solar puede controlar múltiples salidas y dispositivos de almacenamiento.

Otro aspecto de una baliza inalámbrica sin batería es la selección de una unidad de microcontrolador. Las unidades de microcontroladores integradas como sistemas programables, como los dispositivos de sistema en chip (SoC) con soporte para varios modos de bajo consumo, son una buena opción para este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, sistema en chip programable de Cypress (PSoC) ofrece una integración estrecha con los distintos tipos de periféricos que se pueden utilizar para interactuar con los sensores. En particular, el bluetooth de baja energía PSoC 4 contiene periféricos de bajo consumo, junto con una radio y una pila integrada bluetooth de baja energía, lo que permite el diseño de un nodo sensor bluetooth de baja energía de un solo chip. Además, el soporte de los modos de consumo de energía ultra bajo permite que los sistemas funcionen de forma confiable utilizando fuentes de energía limitadas como recolectores de energía y pilas de botón. Estos recolectores, junto con PSoC, demuestran ser un diseño optimizado para aplicaciones de nodo sensor de bluetooth de baja energía sin batería.

Para obtener más información sobre el diseño de sistemas inalámbricos eficientes para aplicaciones de recolección de energía, consulte la nota de aplicación, Introducción al bluetooth de baja energía. Para obtener información más detallada sobre la optimización de subsistemas de bluetooth de baja energía para la recolección de energía, visite Diseñar para bajo consumo y estimar batería para aplicaciones basadas en bluetooth de baja energía. Además, haga clic aquí para una introducción a los circuitos integrados de administración de energía.

Anexo

A1: capturas de pantalla del osciloscopio de varios procesos en nodo sensor de bluetooth de baja energía alimentado por EH

Esta figura muestra la salida de variación de voltaje EHS con respecto al procesamiento de la unidad central de procesamiento durante un período de tiempo. La señal amarilla es el voltaje de salida de EHS y la señal verde es el consumo de corriente del dispositivo integrado. Los picos verdes son el consumo de corriente durante el proceso activo de la unidad central de procesamiento. La señal plana se produce cuando el dispositivo está en el modo de bajo consumo de energía. Tenga en cuenta que el voltaje de salida EHS cae con cada actividad de la unidad central de procesamiento (pico en la señal verde) debido a la energía consumida por la unidad central de procesamiento. También tenga en cuenta que el voltaje se recupera durante los estados de baja potencia ya que el EHS recarga el dispositivo de almacenamiento de energía.

Esta figura muestra la tensión de salida de EHS con respecto a la actividad de la unidad central de procesamiento sin necesidad de recargar el dispositivo de almacenamiento de energía en el EHS. Tenga en cuenta que a medida que la energía se agota, el voltaje cae por debajo de la tensión de corte, momento en que se apaga la salida EHS.

Consumo de corriente (señal verde) en el arranque del dispositivo:

La actividad de transmisión bluetooth de baja energía en una baliza alimentada por la recolección de energía: