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Trabajo Fin de Máster ENERGY HARVESTING: ESTADO DEL ARTE Y DISEÑO DE UN SENSOR DE TEMPERATURA INALÁMBRICO ALIMENTADO POR ENERGÍA FOTOELÉCTRICA CON SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE APOYO POR RADIOFRECUENCIA Alumno: Javier Catalán López Tutor: Armando Roy Yarza Empresa: Pariver Máster en Ingeniería Electrónica 21 de Noviembre de 2011 ENERGY HARVESTING: ESTADO DEL ARTE Y DISEÑO DE UN SENSOR DE TEMPERATURA INALÁMBRICO ALIMENTADO POR ENERGÍA FOTOELÉCTRICA CON SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE APOYO POR RADIOFRECUENCIA RESUMEN El concepto de “Energy Harvesting“ se refiere al proceso mediante el cual la energía que se encuentra en el ambiente es convertida en electricidad para alimentar pequeños dispositivos autónomos haciéndolos autosuficientes. El trabajo a realizar se dividirá en dos partes: una teórica y otra práctica. La parte teórica consistirá en un pequeño estado del arte sobre las actuales formas de recolectar energía del medio ambiente enfocado únicamente hacia la alimentación de sensores. Se hará una aproximación a cada una de las tecnologías con sus posibles aplicaciones, las soluciones comerciales disponibles, los avances más novedosos y los kits de evaluación disponibles en la actualidad. También se analizarán las diferentes opciones que existen para el almacenamiento de esa energía, los microcontroladores de ultra baja potencia disponibles y las tecnologías de transmisión de información por radiofrecuencia de baja potencia. La parte práctica consistirá en la experimentación con dos kits de evaluación de Energy Harvesting: uno de captación de energía por radiofrecuencia y otro de energía fotovoltaica. Finalmente se combinarán los dos kits de evaluación en un único dispositivo cuya funcionalidad sea la de un sensor de temperatura inalámbrico con un sistema de alimentación inteligente. Este sistema consistirá en que el sensor recargue su batería principalmente mediante una célula fotovoltaica y que en el caso de la carga de la batería baje de un límite, se active un mecanismo de emisión de energía por radiofrecuencia que pueda ser utilizada por el sensor para recargarse. Este trabajo fin de máster se ha realizado gracias a la beca de “cheque tecnológico” obtenido por la empresa Pariver. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 2 - Curso 2010-11 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 3 - Curso 2010-11 Índice RESUMEN .............................................................................................................................................. 1 ÍNDICE.................................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 5 Objetivos.......................................................................................................................................................... 5 División del trabajo: ......................................................................................................................................... 5 ESTADO DEL ARTE .................................................................................................................................. 7 1. INTRODUCCION ............................................................................................................................... 7 Un mercado con futuro ................................................................................................................................... 7 2. TIPOS DE ENERGIAS ......................................................................................................................... 7 a. Energía cinética ........................................................................................................................... 8 Principio de funcionamiento: .......................................................................................................................... 8 Tipos de vibraciones: ....................................................................................................................................... 8 Materiales:....................................................................................................................................................... 8 Soluciones comerciales:................................................................................................................................... 9 Kits de evaluación: ......................................................................................................................................... 10 b. Energía fotovoltaica .................................................................................................................. 10 Principio de funcionamiento: ........................................................................................................................ 10 Tipos de materiales: ...................................................................................................................................... 11 Investigación: ................................................................................................................................................. 11 Kits de evaluación: ......................................................................................................................................... 12 c. Energía térmica: ........................................................................................................................ 13 Principio de funcionamiento: ........................................................................................................................ 13 Fabricación: ................................................................................................................................................... 13 Soluciones comerciales:................................................................................................................................. 13 Investigacion: ................................................................................................................................................. 14 Kits de evaluación: ......................................................................................................................................... 14 d. Radio frecuencia........................................................................................................................ 15 Principio de funcionamiento: ........................................................................................................................ 15 Modos de funcionamiento: ........................................................................................................................... 15 Antena de banda ancha: ................................................................................................................................ 15 Antena de frecuencia específica: ................................................................................................................... 16 Antena de frecuencia específica con generador de potencia: ....................................................................... 16 Kits de evaluación: ......................................................................................................................................... 17 3. DISPOSITIVOS DE ULTRA BAJA POTENCIA ...................................................................................... 18 4. ALMACENADO DE ENERGÍA ........................................................................................................... 19 Baterías de lámina delgada: .......................................................................................................................... 19 Super-condensadores: ................................................................................................................................... 19 5. TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN POR RADIOFRECUENCIA ...................................................... 19 Bluetooth Low Energy ................................................................................................................................... 20 ANT ................................................................................................................................................................ 20 Zigbee ............................................................................................................................................................ 20 Otros protocolos propietarios ....................................................................................................................... 20 6. RESUMEN ...................................................................................................................................... 21 EXPERIMENTACIÓN ............................................................................................................................. 23 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 23 ¿Por qué estos kits concretamente? ............................................................................................................. 23 Objetivo: ........................................................................................................................................................ 23 2. KIT DE RADIOFRECUENCIA ............................................................................................................. 24 El Software..................................................................................................................................................... 25 Funcionamiento: ............................................................................................................................................ 25 Circuito integrado P2110 ............................................................................................................................... 25 Pruebas realizadas ......................................................................................................................................... 26 3. KIT DE ENERGÍA SOLAR .................................................................................................................. 27 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 4 - Curso 2010-11 La tarjeta EnerChip EH CBC5300 .................................................................................................................... 28 Pruebas realizadas ......................................................................................................................................... 29 DISPOSITIVO ........................................................................................................................................ 31 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 31 2. PUNTO DE PARTIDA ....................................................................................................................... 31 Kit de energía solar: ....................................................................................................................................... 31 Kit de radiofrecuencia: .................................................................................................................................. 32 3. IDEA INICIAL ................................................................................................................................... 32 4. CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN ................................................................................................... 33 5. PASOS REALIZADOS ....................................................................................................................... 34 Caracterización de la batería ......................................................................................................................... 34 Software de control ....................................................................................................................................... 35 Circuito de control de alimentación .............................................................................................................. 36 Detección de los paquetes de energía ........................................................................................................... 36 Algoritmo de decisión de energía suficiente ................................................................................................. 36 Comprobación de distancias.......................................................................................................................... 37 6. CONEXIÓN DE LA CÉLULA SOLAR Y EL RECEPTOR RF EN LA ENTRADAD DE CORRIENTE ................. 37 7. PUREBA DE CAMPO ....................................................................................................................... 38 CONCLUSIÓN ....................................................................................................................................... 39 GLOSARIO ............................................................................................................................................... 41 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................................... 43 ANEXOS ............................................................................................................................................... 47 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROGRAMACIÓN ................................................................................. 47 Tarjeta XLP16: Punto de acceso en el kit RF .................................................................................................. 47 Tarjeta de sensores: Nodo en el kit RF .......................................................................................................... 48 Tarjeta eZ430-2500: Punto de acceso en el kit Solar ..................................................................................... 49 Tarjeta eZ430-2500: Nodo en el kit Solar ...................................................................................................... 50 2. IMÁGENES DESCRIPTIVAS .............................................................................................................. 51 Tarjeta de sensores: Nodo en el kit RF .......................................................................................................... 51 Antenas .......................................................................................................................................................... 51 Tarjeta de recolección RF: P2110-EVAL ......................................................................................................... 52 Tarjeta XLP16 development board + tarjeta PICtail: Punto de acceso en el kit RF ........................................ 52 Emisor de Potencia de RF .............................................................................................................................. 53 Tarjeta eZ430-2500 + USB debugger: Punto de acceso en el kit Solar .......................................................... 53 Tarjeta recolector solar + Tarjeta eZ430+2500: Nodo en el kit Solar ............................................................ 53 3. DATOS DE LA EXPERIMENTACIÓN CON EL KIT RF ........................................................................... 54 Cálculo mediante la ecuación del datasheet (ecu 1): .................................................................................... 54 Observación en el osciloscopio del consumo del LED: .................................................................................. 54 Observación en el osciloscopio del consumo de una resistencia de 100Ω: ................................................... 54 Zona de ensayos: ........................................................................................................................................... 54 4. ELECCIÓN DEL PIN DE PROPOSITO GENERAL PARA EL CONTROL DEL RELÉ .................................... 56 5. DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL EMISOR DE RADIOFRECUENCIA . 56 6. CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE ENERGÍA POR MODO DE FUNCIONAMIENTO ................................ 58 7. MANUAL DE INSTALACIÓN Y USO .................................................................................................. 58 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 5 - Curso 2010-11 Introducción Este trabajo de fin de máster corresponde al máster de ingeniería electrónica impartido por la universidad de Zaragoza en el curso 2010-2011. Se ha realizado mediante la beca de la DGA llamada “cheque tecnológico” solicitado por la empresa Pariver. Objetivos Los objetivos de este trabajo son: • Redacción de un pequeño estado del arte sobre las tecnologías disponibles para la alimentación de sensores inalámbricos. • Análisis de las soluciones comerciales y kits de evaluación de la actualidad. • Adquisición de uno o varios kits de evaluación para experimentar con sus posibilidades. • Diseño y fabricación de un dispositivo novedoso a partir de los kits de evaluación adquiridos. División del trabajo: El trabajo se ha dividido en 3 partes: • Estado del arte: El objetivo de este estado del arte es el de proporcionar a la empresa Pariver la suficiente información sobre el mercado del “energy harvesting” para que puedan tener una visión global en el caso de decidir emprender un proyecto relacionado con este tipo de tecnología. No se pretende realizar un estado del arte al uso, si no una documentación orientativa sin profundizar en los aspectos técnicos. Se hará referencia a los kits de evaluación comerciales disponibles en la actualidad para cada tecnología y se hará una comparación de ellos para elegir los dos kits más interesantes con los cuales se trabajará en la parte experimental. • Experimentación: Se analizarán los kits de evaluación adquiridos, se describirán todas sus funcionalidades y se comprobará el alcance de su funcionamiento mediante una serie de pruebas básicas. • Dispositivo: Se diseñará un dispositivo inteligente mediante la combinación de los dos kits de evaluación. Este dispositivo se instalará en las oficinas de Pariver donde se realizará una prueba de campo. Se elaborará la documentación de uso necesaria para ser presentado como un producto comercial aunque en realidad sea un primer prototipo funcional. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 6 - Curso 2010-11 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 7 - Curso 2010-11 Estado del arte 1. INTRODUCCION El concepto de “energy harvesting“ se refiere al proceso mediante el cual la energía que se encuentra en el ambiente es convertida en electricidad para alimentar pequeños dispositivos haciéndolos autosuficientes. Las energías llamadas “renovables” se han estado explotando durante los últimos siglos a través de molinos de viento, molinos de agua, sistemas de calentamiento por incidencia de los rayos solares, etc. En las últimas décadas los aerogeneradores y placas solares han surgido como ayuda a la generación de energía eléctrica que demanda la sociedad, abriendo una amplia vía de investigación sobre la captación de energía del entorno. Ésta tecnología aplicada a los sistemas alimentados por baterías supondría dos grandes ventajas: una vida del dispositivo prácticamente ilimitada y una eliminación de las baterías con sus problemas de mantenimiento y sus efectos nocivos para el medio ambiente. Un mercado con futuro El grupo de investigadores IDTechEx calcula que en 2011 se gastarán 0.7 Billones de dólares en energy harvesting pero el crecimiento se apreciará todavía más a lo largo de la década cuando en 2021 se inviertan 4.4 Billones de dólares y su mayor parte sea destinada a electrónica de consumo [1]. El objetivo de este documento es el de describir el marco tecnológico en el que se encuentra la recolección de energía del medio, enfocada a la alimentación de sensores inalámbricos (Microenergy harvesting) dejando aparte las tecnologías conocidas como energías renovables (Macro-energy harvesting) cuyo propósito y características son totalmente diferentes. 2. TIPOS DE ENERGIAS Las tipos de energías renovables se encuentran a nuestro alrededor en mayor medida son la de energía térmica, solar y eólica. Sin embargo existen otros tipos de energías que se pueden captar en mucha menor medida pero que pueden ser interesantes para alimentar dispositivos de muy bajo consumo. Las habituales fuentes de energy harvesting son las siguientes: • Vibraciones (energía mecánica). • Calor (energía térmica). • Luz (energía fotoeléctrica). • Radio frecuencia (energía inductiva). La cantidad de energía aproximada que se puede extraer por estos medios la podemos comparar en la (Tabla 1). Estos tipos de energía tienen ciertos inconvenientes como por ejemplo: suelen ser intermitentes, no reguladas y se encuentran en pequeñas cantidades. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 14 - Curso 2010-11 Investigacion: El sector automovilístico esta invirtiendo en desarrollar esta tecnología para aprovechar el calor de los gases expulsados por el motor y mejorar el rendimiento del combustible. Estos gases contienen alrededor del 40 % de la energía generdada en la combustión y salen a una temperatura de unos 700 ºC lo cual es un reto para el diseño del generador termoeléctrico ya que los actuales no estan preparados para soportar tales temperaturas. Los primeros tests que han realizado en General Motors [18] demuestran que pueden mejorar la eficiencia del combustible en un 3 % y esperan llegar hasta el 10 % cuando consigan aprovechar al máximo las altas temperaturas de los gases. Está previsto que en 2012 se comiencen a comercializar los conocidos como ATEGs (Automobile Thermo Electric Generators) [19]. En los laboratioros de Fujitsu [20] están desarrollando un generador híbrido capaz de captar energía tando de la luz como de la diferencia de temperatura (Fig 9). Su origen es orgánico, por lo que su fabricacion no será muy costosa y tendrá un gran potencial para aplicaciones biomédicas y de prediccion meteorológica. El dispositivo consiste en varias láminas de semiconductores P y N que según el circuito de conexión actuarán como célula fotovoltaica o como generador termoeléctrico (Fig 10). Fig 10 . - Circuito de una célula termosolar [20] Esperan comenzar a comercializar esta tecnología a partir de 2015. Kits de evaluación: Estos son los kits de evaluación de energía termoeléctrica disponibles en la actualidad: • Nexterme therma solutions thermobility WPG-1: está basado en el generador termoeléctrico eTEG HV56 comentado anteriormente. El kit consta de un generador termoeléctrico unido a un disipador y una tarjeta que se encarga de regular la tensión con distintas opciones (3.3, 4.1, o 5 V) y ofrecerla a un microcontrolador a través de unos conectores. Uno de ellos es el que utiliza la tarjeta de evaluación de Texas Instruments eZ430. Está disponible desde Abril de 2011 [21]. • Micropelt TE-Power NODE Evaluation kit for Thermal Energy Harvesting: está basado en el generador termoeléctrico MPG-D751 de Micropelt. El kit consta de varias tarjetas Fig 9.- Célula termosolar [20] TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 15 - Curso 2010-11 intercambiables, para elegir entre diferentes aplicaciones y diferentes tipos de alimentación. Entre las aplicaciones disponibles incluye una para sensores inalámbricos (a través del microcontrolador MSP340 y el transceptor de radiofrecuencia CC2500 a 2.4 GHz de Texas Instruments). La tarjeta principal incluye el GTE, un disipador en el lado frio, una superficie de contacto para el lado caliente y unos conectores para unir otras tarjetas. Está disponible desde Octubre de 2011 [22]. d. Radio frecuencia La radiofrecuencia es cualquier tipo de onda electromagnética dentro del rango entre los 3 KHz y los 300 GHz. Con el avance de las telecomunicaciones, nos encontramos cada vez más rodeados de radiofrecuencia generada por las estaciones emisoras de señales de televisión, radio, satélite, redes móviles, Wi-Fi, etc. La energía en forma de radiofrecuencia que existe en el ambiente es tan pequeña que hasta ahora solo ha servido para transmitir información, pero se está investigando la forma de alimentar dispositivos a través de ella. Principio de funcionamiento: Llamamos onda electromagnética a la forma de propagación de la radiación electromagnética. Ésta radiación se produce al aplicarle una tensión variable a una antena. El cambio de voltaje y la circulación de corriente producen un campo electromagnético que se propaga por el aire transportando la energía que al ser captada por otra antena, genera corriente en el dispositivo receptor. La radiofrecuencia se propaga por el aire a la velocidad de la luz, de la misma manera que cualquier radiación electromagnética, pero su intensidad se reduce con el cuadrado de la distancia que recorre. Es por esto que la eficiencia de estos sistemas suele ser muy baja. Modos de funcionamiento: El modo de extraer energía eléctrica a partir de la radiofrecuencia del ambiente lo podemos enfocar de 3 maneras diferentes: • A través de una antena de banda ancha para todo tipo de radiofrecuencia, intentando captar toda la energía posible en todo el espectro de frecuencias. • Con una antena diseñada para aprovechar una frecuencia específica que se sabe que se encuentra en el entorno. • Mediante un sistema que genere potencia en una frecuencia conocida y con una antena sintonizada. Antena de banda ancha: A través de una investigación del la Georgia Tech School [23] han logrado diseñar una antena de ultra banda ancha (Fig 11) que incrementa la capacidad de recolectar potencia en diferentes rangos de frecuencia. Utilizando impresoras de tinta son capaces de combinar antenas y sensores en papel o polímeros flexibles dando como resultado sensores inalámbricos autoalimentados que pueden ser usados en propósitos industriales, sanitarios, militares, etc. Utilizando el rango de frecuencias que emiten las ondas de televisión han logrado recolectar cientos de micro vatios y con un sistema multibanda esperan pasar de 1 mW de potencia recolectado. Los investigadores han conseguido hacer funcionar un sensor de temperatura utilizando la energía electromagnética emitida por una estación de televisión a medio kilómetro de distancia. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 16 - Curso 2010-11 Esta forma de recolectar energía podría servir de apoyo a otras tecnologías de energy harvesting como por ejemplo la energía solar, continuando la recolección de energía por la noche o al menos evitando que se descarguen las baterías. Fig 1 1 . - Antena de ultra banda ancha [23] Fig 1 2 . - AirEnergy Charger de RCA [24] Antena de frecuencia específica: Si es conocido que en el ambiente existe una señal de radiofrecuencia de considerable potencia en un estrecho rango de frecuencia, el sistema de recolección será mucho más eficiente que si intentamos recolectar un gran rango de frecuencias. Los rangos del espectro de frecuencias más utilizados actualmente son los utilizados para telefonía móvil (900 MHz y 1800 MHz) y el utilizado por el Wi-Fi (2,4 GHz). En el International Consumer Electronics Show (CES) de 2010, la empresa RCA presento el AirEnergy Charger (Fig 12), un dispositivo que convierte la energía de la señal generada por los router Wi-Fi en electricidad para recargar pequeños dispositivos [24]. En la demostración, este aparato fue capaz de recargar el 70% de la batería de un teléfono móvil en 90 minutos utilizando únicamente las señales Wi-Fi del ambiente del congreso. El dispositivo perdía gran parte de su eficiencia al alejarlo de la fuente de radiofrecuencia, pero cuenta con una batería interna para dejarlo cargando y recargar el teléfono en otro momento en cualquier otro lugar. Antena de frecuencia específica con generador de potencia: Aunque este sistema no se podría categorizar como una energía renovable, ya que la energía captada la estamos generando nosotros a propósito, sí que tiene sentido mencionarlo como una manera de alimentar sensores inalámbricos. De la misma manera que en el apartado anterior se explicaba como un dispositivo aprovechaba la radiofrecuencia generada por un router Wi-Fi, se puede generar una onda de radiofrecuencia de la potencia que deseemos y así alimentar dispositivos de manera inalámbrica. En 2007 los investigadores físicos del MIT demostraron la transferencia inalámbrica de potencia encendiendo una bombilla de 60 W a 2 metros de distancia de la fuente, utilizando dos bobinas de 60 cm de diámetro. La eficiencia del sistema era de un 40 % y bautizaron esta tecnología como Witricicy (Fig 13). Actualmente el fabricante de automoviles Toyota ha invertido en esta tecnología para recargar sus automoviles eléctricos sin necesidad de enchufarlos [25]. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 17 - Curso 2010-11 Fig 13.- Demostración de Witricity (MIT) [25] Fig 1 4 . - Prototipo de sistema de transferencia de potencia inalámbrico (Sony) [26] Por otra parte Sony Corporation también está desarrollando su sistema de transferencia inalámbrica de electricidad [26]. Han demostrado transferir una potencia de 60 W a una distancia de 50 cm con una eficiencia aproximadamente del 80% y del 60% cuando se incluye un rectificador. Mediante la resonancia magnética, la energía electromagnética sólo es transferida a dispositivos receptores que comparten las mismas frecuencias resonantes de la fuente de energía incluso cuando hay objetos metálicos situados entre transmisor y receptor sin que les afecte la inducción térmica. Además, Sony ha desarrollado también unidades expansoras pasivas que permiten extender la distancia de transferencia de 50 a 80 cm sin degradación de la eficiencia. El objetivo de esta investigación es lograr alimentar cualquier tipo de dispositivos electrónicos de una habitación (televisor, portátil, iluminación, cargar móviles, etc.) de manera inalámbrica (Fig 14). Los principales beneficios de la energía transmitida por radiofrecuencia desde una fuente controlada, respecto de otras tecnologías de energy harvesting, aplicado a alimentar sensores inalámbricos son: • Permite transmitir energía en la distancia. • La energía transmitida desde un emisor puede ser aprovechada por múltiples receptores. • La potencia transmitida es regulable. Kits de evaluación: La transmisión de energía por radiofrecuencia es una tecnología poco accesible debido a su alto coste y al poco conocimiento que se tiene de ella. Por esta razón no existen apenas kits de evaluación ni es posibilidades de adentrarse en materia sin tener amplios conocimientos sobre el tema. El único fabricante que ofrece kits de evaluación para energy harvesting de radiofrecuencia es Powercast: uno enfocado hacia sensores inalámbricos y otro hacia recarga de baterías [27]: • Development kit for battery-less wireless sensors (P2110-EVAL-01): Contiene un emisor de radiofrecuencia, dos receptores con dos antenas cada uno y dos tarjetas de sensores (humedad, luminosidad y temperatura). TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 18 - Curso 2010-11 • Development kit for battery charging (P2110-EVAL-02): Contiene un emisor de radiofrecuencia, un receptor con dos antenas, una tarjeta con una batería de lámina fina, una tarjeta para controlar la recarga de la batería y un kit de desarrollo eZ430 de Texas Instruments. 3. DISPOSITIVOS DE ULTRA BAJA POTENCIA Conforme va avanzado la tecnología se están desarrollando microprocesadores, sensores, transmisores y demás dispositivos electrónicos que pueden funcionar consumiendo cada vez menos energía. Poco a poco, han surgido ejemplos de aparatos que se alimentan exclusivamente de energía recolectada del medio, como las calculadoras solares o los relojes de pulsera alimentados por energía cinética. Pero ahora, con el desarrollo de los microcontroladores de ultra-baja potencia las posibilidades se multiplican y una de ellas son las redes de sensores inalámbricas. Para este tipo de dispositivos, generalmente se requiere una medición y un mínimo de procesamiento de datos antes del envío por radiofrecuencia de la información. Todo esto suele suceder cada cierto tiempo con un ciclo de trabajo muy bajo, debido a que la capacidad de la batería y la potencia con la que se recarga es escasa. Por ello, el microcontrolador encargado de realizar estas funciones debe ser lo más eficiente posible. Actualmente, todos los fabricantes de circuitos integrados compiten por la fabricación del microcontrolador más adecuado para esta labor. Microchip es uno de los mejor colocados con su gama XLP, por encima de los MC9S08QE de Freescale y de los Cortex-M0 de ARM. Pero sin duda el microcontrolador más adecuado para sensores inalámbricos es el MSP430 de Texas Instruments, que unido al transceptor de radiofrecuencia CC2500 está siendo elegido para procesar y enviar datos por muchos kits de evaluación de energy harvesting. Este microcontrolador de ultra baja potencia cuenta con una gran variedad de configuraciones en cuanto a periféricos como diferentes cantidades de memoria Flash y RAM, comunicaciones (UART, SPI, I2C…), conversores ADC, timers, velocidades de reloj, bits de instrucciones, etc. Todo esto con un bajísimo consumo de potencia. Por ejemplo, la serie MSP430x2xx cuenta con las características descritas en la (Tabla 3): Características Consumo Parámetros configurables Instrucciones de 16 bits 0.1 μA en retención de RAM Memoria Flash: 1 KB – 120 KB Velocidad de proceso: 16 MIPs 0.3 μA en modo Standby Memoria RAM: 128 B - 8 KB Voltaje de alimentación: 1.8 V – 3.6 V 0.7 μA reloj de tiempo real GPIOs: 10, 16, 24, 32, 48, 64 pines Oscilador de baja potencia integrado (VLO) 220 μA / MIPS en modo activo ADCs: rampa, 10 o 12 bit SAR, 16 bit sigma delta <1 μ s de S tandby a modo activo Comunicaciones: UART, SPI, I2C Tabla 3.- Características del microcontrolador MSP430x2xx [28] TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 19 - Curso 2010-11 4. ALMACENADO DE ENERGÍA Generalmente, la energía recolectada del medio debe ser almacenada antes de ser utilizada por los dispositivos de baja potencia debido a que suelen ser fuentes intermitentes, no controladas y, en según qué situaciones, no generan energía en absoluto. La mejor manera de almacenar la energía, en el caso del enegry harvesting, es mediante baterías de lámina delgada o super-condensadores. La elección de un tipo de almacenamiento u otro dependerá de las características del sistema. A continuación se detallan las propiedades de los dos tipos de almacenamiento. Baterías de lámina delgada: Las baterías de lámina delgada fueron desarrolladas por primera vez en Oak Ridge National Laboratory (ORNL). El principio de funcionamiento es el mismo que las baterías convencionales, la reacción química entre ánodo y cátodo. Generalmente estas baterías se basan en el litio, lo cual les hace aguantar altas temperaturas. Sus ventajas frente a los supercondensadores son: • Mayor densidad de energía por volumen. • Menor auto-descarga. • Tensión cuasi-constante. En la actualidad, cuatro fabricantes ya disponen en su catálogo de baterías de lámina fina para electrónica de consumo: Solicore, Cymbet, Infinite Power y ORME [29]. Super-condensadores: Los condensadores siempre han sido capaces de almacenar carga pero para el uso en la electrónica convencional nunca se le ha dado importancia a la densidad ni a la capacidad de carga sino que el objetivo ha sido reducir el coste de fabricación y aumentar su durabilidad. Pero la tecnología ha avanzado y se ha conseguido fabricar condensadores con mayor densidad de energía que los convencionales, llegando hasta los 30 Wh/Kg [30]. Generalmente, estos super-condensadores están fabricados mediante doble capa electroquímica. Esto consiste en sustituir el material cerámico entre placas por un material poroso de carbono en una disolución electrolítica, produciendo un aumento en el área de las placas y por tanto en la capacidad. Sus ventajas frente a las baterías de lámina delgada son: • Infinitos ciclos de carga y descarga sin degradación. • No tienen problema de sobrecarga. • El tiempo de carga y descarga es mucho más rápido debido a que no suceden reacciones químicas. 5. TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN POR RADIOFRECUENCIA Aunque cabe la posibilidad de que el dispositivo inalámbrico cumpla todas sus funciones de manera independiente, lo más habitual es que se tenga que comunicar con otros sensores o con algún dispositivo permanentemente alimentado. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 20 - Curso 2010-11 A la hora de elegir la tecnología de radiofrecuencia más adecuada se deberán tener en cuenta características como la eficiencia en potencia, la robustez de la comunicación, el alcance, el consumo, la latencia, etc. Generalmente, a la hora de diseñar un dispositivo electrónico con comunicación por radiofrecuencia se tiene a utilizar un estándar. Los estándares más interesantes para ser utilizadas en dispositivos de energy harvesting actualmente son: Bluetooth Low Energy, ANT y Zigbee [31]. Bluetooth Low Energy Bluetooth Low Energy (LE) comenzó como un proyecto en el Nokia Reserach Center. En 2007, esta tecnología fue adoptada por el Bluetooth Special Interest Group (SIG). Se le conoce también como Bluetooth V4.0 y forma parte de la especificación pública Bluetooth como estándar. Un dispositivo Bluetooth LE envía paquetes de 20 bytes cada 500 ms, y consume 0.153µW/bit por un alcance de 50 m. ANT ANT es una tecnología inalámbrica propietaria de baja potencia que opera en el espectro de 2.4 GHz. Fue establecida en 2004 por la compañía de sensores Dynastream. En un principio, se diseño para comunicar sensores de salud y deportivos con dispositivos de interfaz de usuario. ANT+ mejora el protocolo ANT para hacerlo interoperable con otros dispositivos en una red. Un dispositivo ANT configurado para transmitir a 32 Bytes/segundo consume 0.71 µW/bit y su alcance es de unos 30 m. Zigbee ZigBee es una especificación de comunicación inalámbrica de baja potencia basada en el estándar 802.15.4.2003 del instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos (IEEE) y fue establecido en 2002 por un grupo de 16 compañías. Introduce las redes Mesh en los sensores de baja potencia. La complejidad y el consumo de potencia de esta tecnología no la hacen adecuada para dispositivos de potencia limitada. Un dispositivo Zigbee consume 185.9 µW/bit con un alcance de hasta 100 m. Otros protocolos propietarios Algunos fabricantes deciden que ninguno de los estándares se adapta sus necesidades y diseñan su propio protocolo a medida, de manera que solamente puedan utilizarlo ellos o puedan hacer negocio con él. Es el caso, por ejemplo, de la marca deportiva NIKE, que ha diseñado un dispositivo a baterías con acelerómetro y GPS que se inserta en la zapatilla antes de salir a correr y le envía información a un receptor o a un “IPod”. La comunicación se realiza sobre la banda de 2.4 GHz sobre un protocolo propietario diseñado por NIKE a su medida [32]. Otro caso es el de los fabricantes de microcontroladores Texas Instruments y Microchip que ofrecen gratuitamente a los diseñadores que utilicen sus microcontroladores y transceptores el código para utilizar sus protocolos fácilmente. Ambos comunican en la frecuencia 2.4 GHz y sobre el estándar 802.15.4 igual que Zigbee, pero su complejidad es mucho menor, al igual que sus posibilidades son más reducidas. Son los siguientes: • MiWi: Microchip [33]. • SimpliciTI: Texas Instruments [34]. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 21 - Curso 2010-11 6. RESUMEN El energy harvesting es una rama de la electrónica en auge que va a ir creciendo en el mercado exponencialmente debido al ahorro de mantenimiento que supone y a las nuevas posibilidades que ofrece la creación dispositivos electrónicos autónomos. Todas las universidades y centros de desarrollo están realizando grandes esfuerzos en investigación científica relacionada con el energy harvestig y están dando sus frutos. Las nuevas células solares son mucho más eficientes, ligeras y baratas que hace años, lo cual hace pensar que aún tienen mucho terreno por el cual expandirse, mientras que los generadores piezoeléctricos siguen estancados sin que nadie llegue a confiar realmente en ellos como generadores de energía. Mientras tanto, los generadores termoeléctricos, impulsados por el capital de la industria automovilística podrían experimentar un gran avance en los próximos años dando lugar a unos generadores de energía realmente prácticos, aunque difícilmente utilizables fuera de la industria o los automóviles. En cuanto a la captación de energía por radiofrecuencia, es un campo que aún queda mucho por investigar pero que ya está dando los primeros pasos. Si se mejora la eficiencia de la transmisión lo suficiente, en unos años podemos encontrarnos con una verdadera revolución en la electrónica: la transferencia de potencia a distancia. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 22 - Curso 2010-11 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 23 - Curso 2010-11 Experimentación 1. INTRODUCCIÓN Una vez conocido el estado del arte actual en cuanto a energy harvesting, nos disponemos a experimentar con dos de estas tecnologías con la intención de conocer sus posibilidades y limitaciones. Los kits de evaluación a probar son los siguientes: • P2110-EVAL-01: Kit de evaluación de Powercast & MicroChip de radiofrecuencia [27]. • eZ430-R2500-SEH: Herramienta de desarrollo de energy harvesting solar de Texas instruments [13]. ¿Por qué estos kits concretamente? A la hora de elegir el tipo de energía a aprovechar, descartamos directamente la energía piezoeléctrica ya que los fabricantes no ofrecen kits de evaluación al uso. Dentro de los 3 restantes, la energía fotovoltaica y la de radiofrecuencia tienen mucho más sentido dentro del entorno de una oficina que la termoeléctrica. Al tener como objetivo el diseño de un dispositivo que será instalado en las oficinas de la empresa Pariver optamos por la energía fotovoltaica y la de radiofrecuencia. La transmisión de potencia a través de la radiofrecuencia es la manera menos desarrollada de alimentar sensores inalámbricos, a pesar de su gran potencial en el campo del energy harvesting. La posibilidad de controlar la fuente de energía ofrece una nueva característica que no existe en el resto de tipos de energy harvesting por lo que resulta más interesante todavía. El hecho de que el kit incluya 3 tipos de sensores (humedad, temperatura y luminosidad) y que la forma de almacenar energía consista en un super-condensador de 50 mF son otras características que aprovecharemos de este kit de desarrollo. Por otra parte, entre los diferentes kits de energía solar, elegimos el kit de Texas Instruments principalmente porque en la fecha en la que se adquirieron los kits de desarrollo, la solución de Silabs no estaba disponible. A pesar de ello, posee ciertas características que le hace ser un kit de evaluación más que suficiente para este trabajo. Por ejemplo, trae consigo el microcontrolador de ultra baja potencia de vanguardia (el MSP430), el panel fotovoltaico está optimizado para sacar el máximo rendimiento de la luz de interiores y el modo de almacenamiento consiste en dos baterías de lámina delgada (EnerChip) lo cual nos permite explorar los dos tipos de almacenamiento de energía. Objetivo: El objetivo de experimentar con estos kits de evaluación es dar a conocer a la empresa Pariver todas las posibilidades que éstos ofrecen, comprobar sus limitaciones y documentar su funcionamiento. Una vez conocido el funcionamiento se podrá aproximar con mayor seguridad el siguiente paso del trabajo fin de máster que consiste en la realización de un nuevo dispositivo a partir de los kits de evaluación adquiridos. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 30 - Curso 2010-11 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 31 - Curso 2010-11 Dispositivo 1. INTRODUCCIÓN Una vez realizado un breve estado del arte y conocidos los kit de evaluación de los que disponemos, se propone el diseño y realización de un dispositivo novedoso que aporte una funcionalidad añadida a los kits existentes. Analizando el funcionamiento del kit de energía solar nos damos cuenta que si en algún momento el nivel de las baterías es demasiado baje para alimentar el microcontrolador, el sistema puede volver a funciona hasta que no es expuesto directamente a la luz solar durante unos minutos. De ahí surge la idea de evitar esta situación proporcionándole otra fuente de energía bajo demanda del propio sensor. El producto a realizar consiste en un sensor de temperatura autónomo. El sensor se alimentará de energía fotovoltaica siempre que esté disponible. Cuando la cantidad de energía fotovoltaica recolectada no sea suficiente para cubrir la gastada por el sensor y el nivel de la batería baje de un umbral, el sensor recibirá energía en forma de radiofrecuencia, solicitándola mediante un control inteligente. Para alcanzar este objetivo de deberá modificar tanto el hardware como el software de los kits de evaluación. El objetivo principal es conseguir un dispositivo fiable, que envíe la información de la temperatura siguiendo estrictamente los tiempos establecidos con pocas posibilidades de fallo, sin dar tanta importancia a la eficiencia energética. 2. PUNTO DE PARTIDA Partimos de dos kits de evaluación: • P2110-EVAL-01: Kit de evaluación de Powercast & MicroChip para radiofrecuencia. • eZ430-R2500-SEH: Herramienta de desarrollo de energy harvesting solar. Estos kits han sido explicados ampliamente en el apartado anterior. Estas son las características que aprovecharemos para el diseño del dispositivo: Kit de energía solar: • El kit dispone de una entrada auxiliar de corriente continua a la que se le puede conectar una placa solar de apoyo, un generador termoeléctrico o cualquier otro tipo de generador. • El sistema está siempre alimentado, de manera que el microcontrolador se encuentra la mayor parte del tiempo dormido consumiendo muy poca corriente y periódicamente se despierta para realizar las funciones de medida, procesado y envío de información por radiofrecuencia. • El microcontrolador mide el valor de tensión de la batería además de la temperatura. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 32 - Curso 2010-11 • El sensor tiene un botón que al pulsarlo se cambia de un modo de funcionamiento a otro. • Los modos de funcionamiento del sensor son 6 y realizan las funciones de medida y envío de información cada 5, 10, 20, 40, 120 y 240 segundos. Kit de radiofrecuencia: • Emite una potencia constante. • El receptor de RF tiene una salida de tensión constante regulada a 3,3 V con una corriente máxima de 100 mA. • Cuando la salida de tensión esta activa se activa un pin que puede ser leído por un microcontrolador como interrupción. 3. IDEA INICIAL En el esquema conceptual de la (Fig 19) se representa la idea inicial del dispositivo: Fig 19.- Esquema conceptual del dispositivo Del kit de energía solar aprovecharemos todos sus módulos: • Módulo microcontrolador + transceptor rf + sensor de temperatura. • Módulo célula fotovoltaica. • Módulo baterías + gestión de carga de baterías + gestión de alimentación. RELÉ + LUZ DATOS RF ONDA RF DE POTENCIA TEMPERATURA TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 33 - Curso 2010-11 Del kit de radiofrecuencia utilizaremos: • Emisor de radiofrecuencia. • Módulo receptor de radiofrecuencia + super-condensador + regulador de tensión. • Antena. La idea inicial consiste en: • Unir el receptor de radiofrecuencia en paralelo con la célula fotovoltaica para recargar las baterías mediante cualquiera de las dos fuentes de corriente. • Controlar la emisión de radiofrecuencia mediante un relé. • Crear un control inteligente de la alimentación controlado desde el receptor USB que estará siempre conectado a un ordenador. La parte correspondiente al sensor de temperatura estará compuesto por los módulos de la (Fig 20). Fig 20.- Esquema modular del sensor de temperatura 4. CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN Debido a que la tensión medida en la batería sólo es válida cuando el dispositivo no está siendo recargado, el sistema de control tiene ciertas complicaciones. Se deberán tener en cuenta ciertas consideraciones: • La energía enviada por radiofrecuencia no es gratuita, por lo que se deberá economizar en la medida de lo posible. • El dispositivo de recolección de radiofrecuencia necesitará diferente cantidad de tiempo para recolectar la energía correspondiente a un paquete y suministrárselo a las baterías en función de la distancia entre emisor y receptor, pero los paquetes de energía serán iguales. CELULA FOTOVOLTAICA RECOLECTOR DE RADIOFRECUENCIA TARJETA CBC5300 BOOST CONVERTER CONTROL DE ALIMENTACIÓN BATERIAS TARJETA EZ430-2500 MSP430 SENSOR DE TEMPERATURA TRANSMISOR RF Interrupción Corriente continua Alimentación TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 34 - Curso 2010-11 • El tiempo que se tarda recolectar la energía suficiente para enviar el primer paquete de energía es entorno a 3 veces mayor que el tiempo que se tarda en recolectar la energía para enviar el segundo. • Dependiendo del modo de funcionamiento en el que se encuentre el sensor se necesitará más o menos paquetes de energía para mantener el dispositivo cierto tiempo fuera del umbral de batería baja. El objetivo es proporcionar la suficiente energía hasta que las condiciones de luz mejoren. La decisión de activar el relé es sencilla: se activará cuando el receptor USB reciba dos paquetes consecutivos que indiquen que la tensión de la batería está por debajo de una tensión umbral. Debemos desactivar el relé cuando se haya recibido la suficiente energía como para salir de la zona de baja potencia. Para ello, lo más lógico parece comprobar la tensión de la batería y cuando estemos fuera del umbral desactivarlo, pero, como hemos dicho anteriormente, la tensión de la batería no se puede medir mientras está siendo recargada debido al funcionamiento interno del gestor de baterías. La segunda opción podría ser programar un tiempo de emisión y al cabo del ciertos segundos cortarla, pero esto no proporcionaría la seguridad de que el sensor de temperatura reciba la energía. Además, el tiempo necesario de emisión depende del modo de funcionamiento y de la localización del sensor, por lo que sólo nos queda la opción de contabilizar paquetes de energía como se explica a continuación: Cuando el receptor de radiofrecuencia le suministra un paquete de energía a las baterías, activa un pin que puede ser leído como una interrupción del microcontrolador. De esta manera contabilizaremos cada paquete de energía recibido y podremos llevar una cuenta de la energía recolectada en el propio sensor de temperatura. Será el propio sensor de temperatura el que calcule los paquetes de energía necesarios en función del modo de funcionamiento en el que se encuentre y avise al receptor USB para que corte la emisión de radiofrecuencia. El aviso consistirá en enviar un paquete de información con una temperatura clave: 9,9 V por ejemplo. Al ser un sistema realimentado, se deberá diseñar una protección de tiempo para que, en el caso de que no llegue radiofrecuencia al sensor o el mensaje de desactivación de relé no llegue a su destino, se detecte un error y se corte el envío de radiofrecuencia. 5. PASOS REALIZADOS A continuación se van a describir los pasos realizados en el diseño y fabricación del sensor de temperatura autónomo. Caracterización de la batería Empezamos por modificar el software del sensor para incluir un nuevo modo de funcionamiento de test en el que tome las medidas y las envíe cada 1 segundo para provocar su descarga rápidamente. Tras cargar las baterías al máximo (exponiendo la célula durante más de una hora directamente a la luz del sol) anotamos los valores de tensión en la batería en cada transmisión. Tras realizar 3 veces la misma prueba podemos caracterizar la descarga de la batería en función de las transmisiones realizaras a través de la siguiente gráfica (Fig 21): TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 35 - Curso 2010-11 Fig 21.- Gráfica de la tensión la batería en función del número de transmisiones De los resultados obtenidos podemos establecer en 2,8 V la tensión umbral a partir de la cual deberá activarse el sistema de alimentación de apoyo. Software de control Se realiza una modificación en el software del receptor USB para activar un pin de propósito general cuando reciba por parte del sensor que al batería está por debajo del umbral. El pin de propósito general se utilizará para activar un relé que dará tensión al emisor de radiofrecuencia. La elección del pin se justifica en el punto 4 de los anexos. El software actual recibe la tensión de la batería del sensor por radiofrecuencia y la envía por serie al ordenador. Se establecerá un paso intermedio en el que se comprobará cual es esa tensión y si se debe realizar alguna acción. Fig 22.- Diagrama de flujo de programación 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 Tensión en la batería ¿Cómo está el relé? Desactivado Activado No Si ¿La tensión actual y la anterior están por debajo de 2,8 V? No Si Activo el relé Desactivo el relé Actualizo la tensión anterior con la actual ¿Se ha recibido la tensión clave o se ha pasado el tiempo máximo de emisión? TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 36 - Curso 2010-11 El relé se activará si se recibe dos veces una tensión menor o igual que 2,8 V (para evitar activaciones por lecturas erróneas). El relé se desactivará cuando el sensor detecte que ya no necesite más energía y le envíe un paquete al receptor USB con una “tensión clave” que será 9,9 V. También se pondrá un contador de tiempo para que, en el caso de que el sensor reciba energía por radiofrecuencia o el paquete de información con la tensión clave no haya llegado al receptor USB, el relé se desactive por precaución. El diagrama de flujo de la (Fig 22) representa el código que se deberá introducir en el programa. Circuito de control de alimentación Debemos controlar la alimentación del emisor de radiofrecuencia la cual es una tensión de 5 V DC. Para ello vamos a utilizar un relé tal y como se explica en el punto 4 de los anexos. Este relé deberá ser controlado mediante un pin de propósito general del microcontrolador, cuya tensión es de 3,3 V.A partir del plano esquemático del sensor elegimos un pin para manejar el relé. Detección de los paquetes de energía El integrado P2110 se encarga de transformar energía de radiofrecuencia del ambiente en pulsos corriente continua regulada a 3,3 V. En cada pulso de corriente que suministra a las baterías, el integrado activa uno de sus pines a 1,2 V con una capacidad de corriente de 0.1 mA. Esta tensión no es suficiente para activar una interrupción de entrada del microcontrolador, por lo que deberemos configurar una etapa inversora. Activaremos la resistencia de pull-up interna del microcontrolador y conectaremos el colector de un transistor NPN a la entrada del micrcontrolador. El emisor irá conectado a masa y la base al pin del integrado P2110 a través de una resistencia de 4k7. Configuraremos la interrupción del microcontrolador con flanco de bajada, ya que el pin estará en estado alto por defecto. Algoritmo de decisión de energía suficiente A la hora de enviar energía por radiofrecuencia debemos adecuar el tiempo de emisión a las necesidades energéticas del sensor. Como el sensor lleva la cuenta de la cantidad de paquetes de energía recibidos y también es el que decide cuando se deja de enviar tendrá que ser él quien decida cuantos paquetes necesita. Modo de funcionamiento Número de paquetes 1 segundo 200 10 segundos 8 0 20 segundos 40 40 segundos 20 120 segund os 20 240 segundos 20 Tabla 5.- Número de paquetes de energía por modo TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 37 - Curso 2010-11 El número de paquetes dependerá únicamente del modo de operación actual del sensor. En el punto 5 del anexo se explica el procedimiento utilizado para calcular el número de paquetes correspondiente a cada modo. Los resultados obtenidos se muestran en la (tabla 5). Comprobación de distancias Una vez establecido el número de paquetes que vamos a enviar por modo, vamos a establecer las distancias máximas para cada modo. Está claro que es necesario establecer este límite ya que la cantidad de energía por segundo que le llega al sensor depende de la distancia, y si el sensor esta en un modo que gasta más energía por segundo que la energía máxima que le puede llegar puede quedarse sin baterías. Realizamos una prueba (comprobación de funcionamiento de más de 300 transmisiones seguidas) para cada modo a distintas distancias entre sensor y emisor. Si al cabo de las 300 transmisiones el sensor seguía funcionando la distancia es válida. Modo de funcion amiento Distancia 1 segundo 50 cm 10 segundos 3 m 20 segundos 5 m 40 segundos 7 m 120 segundos 10 m 240 segundos 15 m Tabla 6.- Distancia máxima de funcionamiento entre emisor y receptor por modo Estas dos últimas pruebas se han realizado en las oficinas de la empresa Pariver. 6. CONEXIÓN DE LA CÉLULA SOLAR Y EL RECEPTOR RF EN LA ENTRADAD DE CORRIENTE A la hora de unir los dos generadores de corriente continua nos encontramos con un problema, y es que no se pueden conectar en paralelo sin ningún dispositivo adicional y que en el momento que coincidan en funcionamiento los dos generadores estaríamos creando un cortocircuito que podría dañar el dispositivo. La solución ideal consistiría en un interruptor analógico cuya resistencia sería de 0 Ohm y que se pudiera controlar con una tensión de 1 V aprovechando el pin de interrupción del integrado P2110. Pero este dispositivo no existe, así que buscaremos un dispositivo que haga la función de interruptor que cumpla las siguientes características: • Corriente máxima superior a 100 mA. • Resistencia de conducción lo más baja posible. • Consumo de corriente I cc lo más baja posible. • Tensión de alimentación 3,3 V. • Tensiones de entrada analógicas entre 1 y 3,3 V. Dentro del abanico de circuitos integrados comerciales existen los analog switches, que en principio cumplen las funciones que necesitamos pero están diseñados para multiplexar señales, no tensiones de alimentación. Es por esto que no cumplen con las características técnicas que necesitamos para nuestra aplicación: la corriente consumida en reposo es muy TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 38 - Curso 2010-11 elevada (mayor de 10 µA) y los dispositivos que permiten el paso de una corriente de 100 mA tienen una resistencia de conducción demasiado elevada (mayor de 10 Ω). Otra opción sería utilizar una etapa con transistores JFET para realizar dos interruptor controlados alternativamente, pero para alcanzar la tensión de pinch-off necesitaríamos una tensión de control negativa. Para obtenerla necesitaríamos un circuito de bomba de carga lo que añadiría un consumo considerable al dispositivo. Por último, planteamos la solución más sencilla que será la que se lleve a cabo, aunque no sea la más eficiente energéticamente hablando. Se utilizará una configuración de detector de máximos colocando un diodo en serie con cada generador de corriente de manera que los cátodos de los diodos estén unidos con la entrada del recolector. Para ello se utilizarán diodos Schottky de muy baja caída de tensión en directa para evitar pérdidas de potencia. 7. PUREBA DE CAMPO Para la comprobación del funcionamiento del dispositivo se han realizado dos pruebas de campo que han consistido en lo siguiente: • Funcionamiento del sensor sin ningún tipo de energía fotovoltaica (célula solar tapada) con el modo de funcionamiento de 240 segundos por transmisión a una distancia de 7 metros del emisor. Se dejo funcionando durante un fin de semana (56 horas). • Funcionamiento del sensor en un ambiente de oficina (a 2,5 metros del fluorescente más cercano) con el modo de funcionamiento de 120 segundos por transmisión a una distancia de 5 metros del emisor. Se dejó funcionando durante una semana completa (168 horas). Ambas pruebas resultaron satisfactorias ya que el sensor no falló al envío de la temperatura en ningún momento. Fig 23 . - Fotograf ía del dispositivo completo TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 39 - Curso 2010-11 CONCLUSIÓN Tras la realización de este trabajo de fin de máster podemos concluir que el concepto de energy harvesting está en la vanguardia de la innovación en cuanto a electrónica se refiere. Todas las universidades, centros de investigación y empresas del sector están mostrando su interés y exhibiendo sus avances en todos los campos: generadores piezoeléctricos, termoeléctricos, células fotovoltaicas, antenas y recolectores de radiofrecuencia, microcontroladores de bajo consumo y sistemas de almacenamiento de energía. Esto se está viendo reflejado en la creciente oferta de kits de evaluación que ha surgido en el último año en respuesta a la demanda de los fabricantes de dispositivos electrónicos que buscan una alternativa a las baterías para alimentar sus dispositivos. Con la experimentación realizada sobre dos de estos kits de evaluación (solar y de radiofrecuencia) hemos podido acercarnos a la aplicación más común de la recolección de energía del medio: los sensores inalámbricos. Ha resultado muy interesante trabajar con dispositivos en los que se debe tener en cuenta cada mili vatio de potencia, maximizando la eficiencia tanto en el hardware como en el software. Cabe destacar el kit de transmisión de energía por radiofrecuencia, por su novedad y por las nuevas posibilidades que ofrece respecto a las formas de recolectar energía y conocidas. Por último, la fabricación de un dispositivo novedoso, como es el sensor de temperatura solar con alimentación de apoyo por radiofrecuencia ha sido un objetivo difícil de cumplir, pero se ha logrado. Aunque la transferencia de potencia entre el recolector de radiofrecuencia y las baterías no es todo lo eficiente que se podría desear, la fiabilidad del dispositivo es muy alta. Con la fabricación de este dispositivo se demuestra la viabilidad del concepto de usar la energía de radiofrecuencia como apoyo a dispositivos que se alimentan de energía del ambiente para evitar que dejen de funcionar en periodos en los que la energía principal no es suficiente. TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 46 - Curso 2010-11 [34] Página web del protocolo de comunicación SimpliciTI http://www.ti.com/tool/simpliciti (15/11/2011) TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 47 - Curso 2010-11 Anexos 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROGRAMACIÓN Todos los programas se encuentran escritos en lenguaje C. El kit de evaluación de RF proporciona el IDE MPLAB. El kit solar proporciona el IDE Code Composer. El kit de energía solar utiliza una comunicación a 2.4 GHz sobre un protocolo propietario de Texas Instruments llamado “SimpliciTI”. El kit de radiofrecuencia utiliza una comunicación a 2.4 GHz sobre un protocolo propietario de Microchip. Tarjeta XLP16: Punto de acceso en el kit RF INICIALIZACIÓN Inicializo el hardware Inicializo la comunicación serie Inicializo la nueva red p2p Hago parpadear el LED1 Configuro el timer a 100ms con interrupción ¿Hay algún mensaje? No Si Leo los datos Calculo los tiempos Muestro los datos por el puerto serie Leo el botón y si esta pulsado muestro los datos del último paquete recibido por el puerto serie TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 48 - Curso 2010-11 Tarjeta de sensores: Nodo en el kit RF Inic ializo la tarjeta Leo mi propia ID ¿En qué modo esta? Usuario Normal Enciendo la UART y el circuito ID Leo los ADCs Tensión de alimentación Temperatura RSSI Luz Sensor Externo Humedad Corto la alimentación a los sensores, espero a que la UART termine de recibir la ID y apago la UART y el circuito ID Ejecuto el código personalizado por el usuario Habilito el protocolo SPI para comunicar por radiofrecuencia Inicializo el protocolo Selecciono el canal Preparo el paquete a enviar Modo ID TXID Vdd Rssi Temperatura Humedad Luminosidad Sensor Externo ¿En qué modo esta? Usuario Normal Preparo el paquete a enviar Modo ID Otros datos que quiera enviar el usuario Envio el paquete por radio Apago la radio Provoco el corte de la alimentación mediante de un envío al reset del P2110 TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 49 - Curso 2010-11 Tarjeta eZ430-2500: Punto de acceso en el kit Solar El timer B0 se utiliza para activar el semáforo que indica que hay que medir la temperatura propia. INICIALIZACIÓN Compruebo que los relojes funcionan correctamente Inicializo la BSP Asigno una dirección al azar si no tiene ya una Inicializo el protocolo SimpliciTI ¿Hay alguna petición para unirse a la red? Atiendo la petic ión y añado el nodo a la lista ¿Tengo que medir temperatura Y tensión? Si No No Si Mido la temperatura y la tensión de alimentación. Hago parpadear el LED Actualizo la media de temperaturas ¿Tengo que actualizar la temperatura? No Si Actualizo l a temperatura media y la envío por serie ¿He recibido información de algún nodo? Si Leo el mensaje Cambio el estado del LED Envío el mensaje por puerto serie No TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 50 - Curso 2010-11 Tarjeta eZ430-2500: Nodo en el kit Solar El timer B0 se utiliza para salir del modo de baja potencia cada 3 segundos. El botón hace saltar una interrupción que hace parpadear el LED y cambiar al estado siguiente. Preparo el mensaje ¿Se está cargando? INICIALIZACIÓN Compruebo que los relojes funcionan correctamente Parpadeo los LEDs Asigno una dirección al azar si no tiene ya una Inicializo la BSP Inicializo el protocolo SimpliciTI Apago la radio Configuro los pines I/O Espero hasta que el voltaje se haga estable (2.9V) Enciendo la radio Espero hasta que conecte con un punto de acceso Pongo la radio a dormir Mido la temperatura, el voltaje de la batería y Apago el ADC Proceso las mediciones Despierto la radio Si No Lo aviso en el mensaje Decremento el contador Lo aviso en el mensaje In cremento el contador Incluyo en el mensaje el número restantes de transmisiones, las medidas de temperatura y voltaje de alimentación Envío el mensaje y hago parpadear el LED Pongo la radio a dormir Si es la última transmisión entro en modo de bajo consumo hasta que se recargue Pongo el modo de baja potencia hasta que tenga que volver a transmitir TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 51 - Curso 2010-11 2. IMÁGENES DESCRIPTIVAS Tarjeta de sensores: Nodo en el kit RF La tarjeta tiene: • Un DIP switch de 3 Switches ON/OFF para configurar una ID de la tarjeta. • Un Jumper (J2) para en caso de querer medir la corriente que consume la tarjeta solo hay que quitar el Jumper y colocar dos sondas de osciloscopio en modo diferencial (ya que la tarjeta tiene una resistencia de 10 Ohm según el esquemático (10.6 según el polímetro) • Un conector de 3 pines para un sensor externo (VCC=3V, GND y Sense). Se puede colocar un condensador para filtrar la medida (C13). • 5 jumpers que dan alimentación a los sensores y al GPIO de modo. • Hay un transistor que es activado por el micro para dar alimentación a los sensores cuando se va a realizar la medida (para que solo se alimenten el tiempo necesario). • Sensor de Humedad HIH 5030 • Sensor de temperatura: resistencia NTC • Sensor de luminosidad: TEMT6000X01 Antenas TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 52 - Curso 2010-11 Tarjeta de recolección RF: P2110-EVAL Tarjeta XLP16 development board + tarjeta PICtail: Punto de acceso en el kit RF TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 53 - Curso 2010-11 Emisor de Potencia de RF Tarjeta eZ430-2500 + USB debugger: Punto de acceso en el kit Solar Tarjeta recolector solar + Tarjeta eZ430+2500: Nodo en el kit Solar TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 54 - Curso 2010-11 3. DATOS DE LA EXPERIMENTACIÓN CON EL KIT RF Para calcular la energía que suministra el integrado P2110 en cada ciclo utilizando el condensador de 1000 µF realizaremos 3 estimaciones diferentes. Cálculo mediante la ecuación del datasheet (ecu 1): ܥ = 15ܸ ை௎் ܫ ை௎் ݐ ைே 1000 μܨ = 15 ∙ 3,3 ܸ ∙ ܫ ை௎் ܣ ∙ ݐ ைே ݏ ܧ݊݁ݎ݃íܽ = 1000 ∙ 10 ି଺ 15 ∙ 3,3 ∙ 3600 5,5 ݊ܣℎ Observación en el osciloscopio del consumo del LED: El tiempo durante el cual pasa corriente por el LED es de 2750 µs y la caída de tensión en él es de 2 V. Sabiendo que la resistencia en serie con el LED es de 100 Ω y que la tensión de salida es de 3,3V calculamos la corriente consumida por el LED mediante la ley de Ohm: 3,3 − 2 100 = 13 ݉ܣ ܧ݊݁ݎ݃݅ܽ = 13 ∙ 10 ିଷ ∙ 2750 ∙ 10 ି଺ 3600 = 9,9 ݊ܣℎ Observación en el osciloscopio del consumo de una resistencia de 100Ω: El tiempo durante el cual pasa corriente por la resistencia es de 1 ms y la caída de tensión en ella es de 3,3 V. Mediante la ley de Ohm calculamos la corriente consumida: 3,3 100 = 33 ݉ܣ ܧ݊݁ݎ݃݅ܽ = 33 ∙ 10 ିଷ ∙ 10 ିଷ 3600 = 9,16 ݊ܣℎ Teniendo en cuenta que la fórmula extraida del datasheet es una referencia para el diseño, tomaremos la cantidad de 9 nAh como la energía suministrada en cada ciclo. Expresada en forma de potencia serán unos 30 nW. A la hora de medir la potencia instantánea en función de la distancia y ángulo entre emisor y recolector, se van tomando los tiempos (en segundos) que le cuesta al dispositivo recolectar la energía suficiente para hacer parpadear el LED una vez. Zona de ensayos: Esta es la disposición de la zona de pruebas: TFM: Energy Harvesting Memoria Javier Catalán López Máster de Ingeniería Electrónica - 55 - Curso 2010-11 Las medidas obtenidas de tiempo en segundos son: Antena dipolo Distancia (metros) Grados 0 15 30 45 60 2 1 1 1 1,1 1,6 2,5 1,1 1,1 1,2 1,5 4 3 2 2 2,1 2,5 6 3,5 2,6 1,6 2 2,2 no 4 4,1 3,5 2,3 no no 4,5 4,5 3,4 2,9 no no 5 7 5 no no no 5,5 9 7 no no no 6 10 12,6 no no no 6,5 8 10 no no no 7 9 10,6 no no no 7,5 8,2 13 no no no 8 20 24 no no no 10 43 no no no no Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 4 - Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 5 - Lista de dispositivos 1. Emisor de potencia RF 2. Alimentador de transmisor Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 6 - 3. Receptor USB 4. Tarjeta sensor 5. Tarjeta célula fotovoltaica Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 7 - 6. Tarjeta recepción de radiofrecuencia 7. Antena de radiofrecuencia 8. CD software Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 8 - Instalación 1. Instalación del software En el CD-ROM se encuentra el software necesario para mostrar en el PC la información proveniente del sensor de temperatura a través del receptor USB. Este software es totalmente compatible con Windows XP y Windows 7. El software proporciona una interfaz gráfica y amigable para la interpretación de la información transmitida por el sensor, pero aunque cualquier PC con drivers para dispositivos USB con comunicación serie es capaz de mostrar los datos a través de un hyperterminal. Foto del software grafico Foto del hyperterminal Instalación del software de interfaz gráfica 1. Introducir el CD-ROM en un ordenador Windows XP o 7 2. Explorar la unidad de CD-ROM hasta el directorio “[unidad de CD]:\software\” 3. Ejecutar el instalador SEH-demo-setup.exe 4. Seguir las instrucciones hasta finalizar la instalación Una vez instalado el Software gráfico podremos ejecutarlo haciendo clic en el acceso directo que aparece en el escritorio Configuración del hyperterminal Si el ordenador tiene drivers para dispositivos USB con comunicación serie, al conectar el receptor USB se le asignará un puerto COM. La configuración del hyperterminal deberá ser: • Baudrate: 9600 • Data bits: 8 • Stop bits: 1 • Parity: none • Flow control: none Foto del acceso directo Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 9 - 2. Conexión del receptor USB y el alimentador del transmisor El receptor USB tiene un conector de dos pines para controlar la alimentación del transmisor. Para conectarlos de deberá introducir el cable verde en el conector con etiqueta verde y el cable negro en el conector con etiqueta negra. Foto del la conexión en el receptor USB 3. Conexión del circuito de control al emisor de radiofrecuencia. El circuito de control se conecta con el transmisor de radiofrecuencia mediante el cable rojo y negro que acaba en un conector jack 2.5’’ de alimentación. Cualquiera de los dos conectores hembra del transmisor sirve para su alimentación. Conexión de la alimentación del emisor 4. Conexión de la antena a la tarjeta de recepción de radiofrecuencia. En un lateral de la tarjeta verde se encuentra un conector mini NBC al que hay que conectarle la antena de radiofrecuencia. Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 10 - 5. Conexión de la tarjeta de radiofrecuencia y la tarjeta célula fotovoltaica. Para conectar el cable rojo y amarillo que une la tarjeta de radiofrecuencia y la célula fotovoltaica primero habrá que quitar el jumper que se encuentra en la tarjeta fotovoltaica y después conectar en ese lugar el cable que sale de la tarjeta de radiofrecuencia. Detalle de la conexión entre la tarjeta de radiofrecuencia y la célula fotovoltaica 6. Conexión de de la tarjeta sensor a la tarjeta de radiofrecuencia. El cable morado que sale de la tarjeta de sensores se debe conectar en el conector de la tarjeta de radiofrecuencia como se indica en la foto: Detalle de la conexión entre la tarjeta sensor y la tarjeta de radiofrecuencia Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 11 - 7. Puesta a punto de las baterías. El sensor de temperatura debe arrancar con las baterías cargadas a un alto nivel, por lo que antes de realizar su puesta en marcha se deberá dejar la célula fotovoltaica durante un periodo de 5 minutos expuesta directamente a la luz solar o durante media cerca de una fuente de luz artificial. 8. Colocación del transmisor de radiofrecuencia. El transmisor de radiofrecuencia deberá colocarse colgado de una pared a media altura entre el suelo y el techo. Deberá estar colocado completamente vertical con el LED de indicación de funcionamiento hacia afuera. Sensor de temperatura: Instalación y manual de uso Javier Catalán López - 12 - Puesta en marcha y uso Una vez Instalados todos los componentes del sistema, para ponerlo en marcha se deben seguir los siguientes pasos: 1. Conectar el alimentador del transmisor a una toma general corriente (230V AC). 2. Conectar el receptor USB a un ordenador con el software de monitorización de sensores instalado. 3. Arrancar el programa de PC “eZ430-RF2500 SEH Sensor Monitor” (el círculo rojo debe parpadear). Para que el sensor arranque debe tener su batería cargada. Para ello se deberá colocar la célula fotovoltaica expuesta directamente a la luz solar durante 5 minutos, o cercana de algún foco de luz artificial durante media hora. 4. Por último, se conectará el circuito sensor a la tarjeta de la célula fotovoltaica como se indica en la foto: Detalle de conexión entre la tarjeta sensor y la tarjeta de la célula fotovoltaica En ese momento, en el programa “Sensor Monitor” deberá aparecer un circulo que represente al sensor. En el caso de no aparecer, o con conseguir una conexión estable, desconectar la tarjeta sensor de la célula fotovoltaica y repetir el proceso de carga. La información que muestra el sensor es la siguiente: • El estado de carga: si el sensor está siendo recargado (por la célula solar o por RF) en el instante de la transmisión el círculo es amarillo. Si por el contrario el sensor está siendo alimentado por la energía de la batería el círculo es azul. • La tensión de alimentación: nos sirve para hacernos una idea de la carga de la batería. • La temperatura ambiente alrededor del dispositivo.