Utilizați un microcontroler de captare a energiei pentru eliminarea înlocuirii bateriilor IoT

Proiectanții de dispozitive Internet of Things (IoT) fără legături sunt în permanență în căutarea unor modalități mai bune de alimentare a acestor dispozitive, pentru a minimiza timpul de nefuncționare în aplicațiile de consum, comerciale sau industriale. Bateriile primare trebuie să fie monitorizate în permanență, iar atunci când sunt, în cele din urmă, înlocuite, acestea reprezintă o problemă semnificativă în ceea ce privește eliminarea. Bateriile reîncărcabile rezolvă problema eliminării, dar dispozitivele trebuie demontate, reîncărcate și montate din nou.

Limitările abordărilor tradiționale au dus la creșterea interesului față de tehnicile de captare a energiei, prin care energia ambientală este utilizată pentru a alimenta un dispozitiv. Problema cu care se confruntă proiectanții este faptul că circuitele necesare pentru captarea energiei și reîncărcarea bateriilor pot crește semnificativ complexitatea, dimensiunea și costurile de proiectare.

Acest articol prezintă pe scurt argumentele pentru utilizarea captării energiei în aplicațiile IoT și subliniază unele dintre provocările cu care se confruntă proiectanții. Apoi prezintă o abordare care depășește aceste provocări prin integrarea circuitelor de captare a energiei și de gestionare a încărcării bateriei într-un microcontroler (MCU). Folosind exemple de soluții de dispozitive și plăci de evaluare asociate de la Renesas, articolul va arăta cum se poate aplica această abordare pentru a elimina în mod eficient necesitatea înlocuirii bateriilor în dispozitivele IoT.

De ce să utilizați captarea de energie pentru IoT?

Captarea energiei este o soluție atractivă pentru aplicațiile IoT, cum ar fi sistemele de senzori wireless de putere redusă, care permit implementarea unor dispozitive complet fără cabluri care necesită puțină întreținere sau chiar deloc. În mod obișnuit, aceste dispozitive tot au nevoie de o baterie reîncărcabilă sau de un supercondensator pentru a răspunde la cererile maxime de energie.

În principiu, prin captarea energiei ambientale, sistemul poate utiliza un dispozitiv de stocare a energiei mai mic și poate prelungi durata de viață utilă a acestuia. La rândul său, designul IoT rezultat poate încăpea într-un pachet mai mic, cât timp funcționalitatea de captare a energiei contribuie cu puțin la numărul de componente ale designului. Cu toate acestea, în practică, necesitatea unor componente suplimentare pentru implementarea captării energiei îngreunează încercările de reducere a amprentei proiectului.

Problema constă în faptul că o sursă de alimentare pentru captarea energiei necesită, de obicei, dispozitive separate pentru captarea energiei ambientale și pentru asigurarea gestionării adecvate a încărcării unui dispozitiv de stocare a energiei, cum ar fi o baterie reîncărcabilă sau un supercondensator. Fiind adăugată la un sistem wireless deja minimalist care cuprinde un MCU, un senzor și un emițător-receptor de radiofrecvență (RF), această funcționalitate suplimentară poate transforma un proiect simplu, cu puține componente, într-unul relativ complex (Figura 1).

Figura 1: utilizarea captării de energie în dispozitivele IoT îi poate scuti pe utilizatorii acestora de grijile legate de întreținerea bateriilor, dar cerințele suplimentare au dus, de obicei, la dispozitive din ce în ce mai mari, la o mai mare complexitate de proiectare și la costuri mai ridicate; toate acestea fiind contrare cerințelor unui proiect IoT fără legături. (Sursă imagine: Renesas)

Minimizarea componentelor pentru proiectele IoT

Până în prezent, multe dintre diferitele componente necesare pentru captarea energiei au fost integrate în module specializate și circuite integrate de gestionare a energiei (PMIC), cum ar fi LTC3105/LTC3107 de la Analog Devices, S6AE101A de la Cypress Semiconductor, MCRY12-125Q-42DIT de la Matrix Industries și multe altele. Astfel de dispozitive furnizează o linie de tensiune regulată de la o celulă solară, un generator termoelectric (TEG), un traductor de vibrații piezoelectrice sau o altă sursă de energie. Drept urmare, acestea pot funcționa ca surse de alimentare completă pentru captarea energiei pentru un proiect hardware IoT de bază. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să forțeze limitele pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor și pentru a păstra sau obține un avantaj competitiv.

Familia MCU Renesas RE01 ajută la atingerea acestor obiective, deoarece duce mai departe abordarea de integrare prin includerea unui controler de captare a energiei (EHC) în cadrul dispozitivului. De fapt, un MCU RE01 poate utiliza EHC-ul încorporat pentru a reîncărca o baterie secundară, în timp ce furnizează energie de sistem pentru restul dispozitivului. Fiind mai mult decât un simplu dispozitiv de captare a energiei, RE01 include EHC-ul cu un nucleu Arm® Cortex®-M0+ de 64 megahertzi (MHz), memorie flash pe cip, un bloc de proprietate intelectuală securizată (TSIP), un convertor analog-digital (ADC) pe 14 biți, temporizatoare și mai multe interfețe periferice (Figura 2).

Figura 2: creată pentru a simplifica proiectarea dispozitivelor alimentate cu baterii, familia de microcontrolere Renesas RE01 combină un controler complet de captare a energiei cu un nucleu de procesor Arm Cortex-M0+ cu consum redus de energie, memorie flash pe cip și mai multe periferice și interfețe. (Sursă imagine: Renesas)

Conceput pentru a simplifica implementarea dispozitivelor IoT alimentate de baterii, RE01 integrează un set complex de funcționalități periferice relevante. Pe lângă interfețele ADC și seriale pentru integrarea senzorilor, dispozitivul include un circuit de control al driverului de motor (blocul „MTDV” din Figura 2) capabil să acționeze până la trei motoare; o sursă de curent constant capabilă să acționeze trei diode emițătoare de lumină (LED) externe; și un generator de impulsuri de viteză redusă (LPG). Pentru ieșirea pe ecran, MCU RE01 integrează un accelerator grafic pentru procesarea imaginilor bidimensionale (2D), precum și un controler de afișaj cu cristale lichide (LCD) cu memorie în pixeli (MIP). De asemenea, pentru cerințele de control în timp real, MCU include un cronometru cu dispozitiv de semnalizare, un ceas în timp real (RTC) și un circuit de corecție a ceasului (CCC) care menține precizia ceasului. Pentru codul de software și date, familia RE01 combină funcționalitatea menționată mai sus în dispozitivele membre, inclusiv R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) cu 1500 kiloocteți de memorie flash și R7F0E01182CFM (RE01 256KB) cu 256 kiloocteți (Kbytes) de memorie flash.

Pe lângă capacitățile sale funcționale, MCU RE01 oferă o mulțime de opțiuni pentru a găsi echilibrul necesar între performanță și consumul de energie. MCU poate funcționa în mai multe moduri de operare care minimizează consumul de energie, prin reducerea frecvenței de operare de la rata maximă de 64 MHz până la 32,768 kilohertzi (kHz), într-un mod cu curent de scurgere redus, cu frecvențe intermediare în modul normal de operare de 32 MHz sau 2 MHz. În mod obișnuit, R7F0E015D2CFP RE01 1500KB consumă doar 35 microamperi pe megahertz (µA/MHz) curent activ și doar 500 nanoamperi (nA) curent în modul standby la 1,62 volți. ADC-ul acestuia de 14 biți consumă doar 4 µA, iar rescrierile de programare flash necesită doar aproximativ 0,6 miliamperi (mA). Pentru a asigura alimentarea pentru aceste operațiuni normale, EHC-ul MCU RE01 integrează un set extins de capabilități concepute pentru a facilita implementarea captării de energie și a gestionării bateriei.

Controlerul integrat de captare a energiei simplifică proiectarea

Datorită EHC-ului integrat, MCU RE01 face ca implementarea captării de energie să fie o operațiune de rutină. Dezvoltatorii trebuie doar să conecteze un element generator de energie, cum ar fi o celulă solară, un TEG sau un traductor de vibrații, direct la pinii VSC_VCC și VSC_GND ai MCU. Atunci când este disponibilă suficientă energie ambientală, EHC poate comanda pinii de ieșire ai MCU pentru a încărca o baterie secundară (VBAT_EHC), un condensator de stocare (VCC_SU) și alte dispozitive externe (Figura 3).

Figura 3: controlerul integrat de captare a energiei al MCU Renesas RE01 permite dezvoltatorilor să profite rapid de captarea energiei. (Sursă imagine: Renesas)

Simplitatea proiectării provine din setul complet de blocuri funcționale conținute în MCU RE01, după cum se arată în Figura 4.

Figura 4: controlerul integrat de captare a energiei al MCU Renesas RE01 include toate funcționalitățile necesare pentru a utiliza un element generator de energie pentru generarea ieșirilor de tensiune necesare. (Sursă imagine: Renesas)

Împreună cu blocurile sale funcționale, EHC oferă mai multe circuite de monitorizare a tensiunii, precum și mai multe registre de stare și de control pentru a orchestra furnizarea de energie. De exemplu, un indicator de stare al unui element generator de energie (ENOUT) arată dacă elementul respectiv generează curent. În schimb, un indicator de monitorizare a țintei de încărcare (CMPOUT) arată dacă tensiunea de încărcare este aplicată la bateria secundară sau la condensatorul de stocare. Fiecare dintre aceste caracteristici are o funcție, pe măsură ce EHC trece prin stările operaționale asociate cu pornirea, funcționarea normală și epuizarea bateriei (Figura 5).

Figura 5: cu ajutorul monitorizărilor interne de tensiune, al indicatoarelor de stare și al registrelor, controlerul integrat de captare a energiei al MCU Renesas RE01 acceptă întreaga secvență de încărcare, de la încărcarea inițială până la epuizare. (Sursă imagine: Renesas)

Atunci când un element generator de energie este conectat la MCU, EHC intră în perioada de încărcare inițială. Aici, EHC permite ca energia să circule către VCC_SU, încărcând condensatorul de stocare până când nivelul de tensiune pe VCC_SU depășește un anumit nivel de prag al tensiunii, VCC_SU_H. În acest moment, EHC utilizează apoi condensatorul de stocare pentru a începe furnizarea energiei în domeniul sistemului, VCC. Atunci când VCC depășește tensiunea de prag de pornire (VPOR), semnalul de resetare la pornire crește, eliberând dispozitivul din resetare și aducând simultan ENOUT la nivel înalt, ceea ce indică faptul că elementul generator de energie este activ.

După ce se eliberează resetarea la pornire, registrul de control al încărcării VBAT_EHC al EHC, VBATCTL, este setat la 11b, permițând dispozitivului să înceapă încărcarea bateriei secundare. De fapt, în această perioadă, EHC își alternează ieșirea de încărcare între bateria secundară și condensatorul de stocare pentru a menține alimentarea VCC în timp ce bateria se încarcă. Atunci când tensiunea condensatorului de stocare scade sub un nivel de prag inferior al tensiunii, VCC_SU_L, EHC comută alimentarea la VCC_SU până când atinge pragul superior VCC_SU_H, moment în care reia încărcarea bateriei secundare. Acest proces continuă până când tensiunea bateriei de stocare pe VBAT_EHC atinge pragul VBAT, VBAT_CHG (Figura 6).

Figura 6: chiar și după ce controlerul integrat de captare a energiei (EHC) al MCU Renesas RE01 începe să încarce bateria dispozitivului, EHC continuă să mențină încărcarea condensatorului de stocare, ce asigură alimentarea sistemului VCC până când bateria este complet încărcată. (Sursă imagine: Renesas)

După ce bateria este încărcată, bitul QUICKMODE este setat, ceea ce face ca EHC să intre în starea de funcționare stabilă. În această stare, EHC continuă să încarce bateria de la elementul generator de energie, în timp ce furnizează simultan energie de la baterie la domeniul VCC.

În cazul în care energia ambientală scade și elementul generator de energie nu mai furnizează energie, EHC continuă să furnizeze VCC de la baterie. În cele din urmă, monitorul intern de tensiune va detecta că VBAT_EHC a scăzut sub un prag prestabilit, V_det1, iar bitul QUICKMODE va fi resetat la zero. După setarea acestui bit, alimentarea este întreruptă în domeniul VCC și registrele EHC sunt inițializate. O reducere suplimentară a VCC sub V_POR determină dispozitivul să reseteze semnalul de resetare la pornire. Pentru a relua funcționarea, dispozitivul trebuie să efectueze secvența de încărcare inițială după ce energia ambientală a crescut la niveluri suficiente.

Kitul de evaluare ajută la realizarea rapidă a prototipurilor

În timp ce EHC-ul încorporat al RE01 elimină necesitatea unor componente suplimentare, pentru a utiliza funcțiile sale, dezvoltatorii trebuie să configureze dispozitivul și să execute seria de operații prescrise menționate mai sus. Pentru a ajuta dezvoltatorii să treacă rapid la prototiparea rapidă și la dezvoltarea personalizată cu familia RE01, Renesas oferă kiturile de evaluare gata de utilizare RTK70E015DS00000BE și RTK70E0118S00000BJ pentru RE01 1500KB și, respectiv, RE01 256KB. De fapt, kitul RE01 1500KB oferă o platformă de dezvoltare la cheie ce include placa MCU RE01 1500KB (Figura 7), o placă de expansiune LCD, un panou solar și un cablu USB. Alături de MCU RE01, placa de dezvoltare include un supercondensator de stocare, un conector pentru o baterie externă reîncărcabilă, comutatoare, leduri, un depanator integrat și mai mulți conectori de interfață, inclusiv o baretă Arduino Uno.

Figura 7: kitul de evaluare Renesas RE01 1500KB include o placă MCU RE01 1500KB cu un depanator la bord și mai multe opțiuni de interfață concepute pentru a facilita evaluarea, prototiparea și dezvoltarea personalizată. (Sursă imagine: Renesas)

Împreună cu platforma de dezvoltare hardware furnizată în kitul de evaluare, Renesas oferă un set complex de pachete software concepute pentru a rula în mediul de dezvoltare integrat (IDE) Embedded Workbench de la IAR Systems sau în propriul IDE e² Studio de la Renesas. Construit pe baza pachetului de drivere standard de software pentru microcontrolere Cortex (CMSIS) de la Arm, software-ul utilizează construcții software cu care dezvoltatorii de cod pentru procesoarele pe bază de Arm sunt familiarizați.

Poate cel mai important, rutinele de probă din pachetele software Renesas oferă un șablon executabil pentru dezvoltarea de software personalizat. De exemplu, punerea în aplicare a secvenței de funcționare a EHC prezentate în Figura 5 necesită o serie de proceduri de inițializare însoțitoare pentru a minimiza consumul de energie în timpul unor etape cheie, cum ar fi încărcarea inițială și încărcarea secundară a bateriei. O rutină de pornire furnizată împreună cu software-ul de probă demonstrează fiecare dintre aceste proceduri de inițializare și configurare. Și mai bine, Renesas oferă dezvoltatorilor o cale clară pentru utilizarea acestei rutine de pornire pentru a modifica parametrii în funcție de necesități și pentru a-și introduce propriul cod software în secvența de pornire (Figura 8).

Figura 8: inclus în distribuția de software Renesas, codul de probă pentru pornirea funcțiilor de captare a energiei ale MCU RE01 demonstrează fiecare pas necesar, evidențiind în același timp unde pot dezvoltatorii să modifice parametrii sau să își introducă propriul lor cod software. (Sursă imagine: Renesas)

Utilizând kitul de evaluare Renesas și pachetele software aferente, dezvoltatorii pot explora rapid diferite moduri de operare ale MCU RE01 și pot evalua metodele de captare a energiei. Ulterior, acest mediu oferă o platformă eficientă pentru crearea rapidă de prototipuri pentru propriile aplicații și dezvoltare personalizată.

Concluzie

Captarea energiei oferă o soluție eficientă pentru reducerea dimensiunii bateriei și prelungirea duratei de viață a bateriei în sistemele cu consum redus de energie, cum ar fi dispozitivele IoT, dar această abordare poate crește semnificativ dimensiunea, complexitatea și costul total de proiectare. Este necesară o abordare mai integrată.

Dotată cu mai multe blocuri funcționale și periferice, o familie de MCU-uri de la Renesas include un subsistem complet de captare a energiei pe cip care facilitează și simplifică proiectarea sistemelor de captare a energiei. Lucrând cu plăcile de dezvoltare și software-ul asociat, dezvoltatorii pot evalua, crea prototipuri și construi rapid proiecte personalizate capabile să profite pe deplin de avantajele captării energiei folosind dispozitive mici, cu costuri reduse.