01 марта 2016г.
Беспроводные сенсорные сети в настоящее время являются актуальной передовой технологией в области самоорганизующихся систем контроля и управления различными процессами, а также сбора и передачи информации. Сегодня каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микроконтроллер, источник питания и приемопередатчик [1]. Такая структура сенсорного узла позволяет удаленно проводить измерения, а также самостоятельно проводить обработку данных.
В настоящее время актуален вопрос разработки и изготовления интеллектуального источника питания на основе альтернативных источников энергии при создании беспроводных сенсорных сетей [2]. Интеллектуальные источники питания – новое поколение в микроэлектронике, актуальное для тех систем, эксплуатацию которых замена батарей осложняет, особенно в тех случаях, где требуется непрерывная работа датчиков в недоступном для человека окружении. Концепция интеллектуальных источников питания основана на наличии доступных источников энергии в различных формах – механической (энергии вибраций, ускорения, механического напряжения), тепловой, оптической, жидкостной, радиочастотной. Сбор энергии из окружения, запасание и использование ее для питания компонентов позволяет питать беспроводные сенсорные узлы и другие компоненты вне срока службы/питания батарей, повышать доступную выходную мощность.
Основным компонентом в интеллектуальном источнике питания является контроллер заряда, который позволяет заряжать небольшие одноэлементные батареи, черпая энергию от маломощных источников энергии (солнечной батареи, радиочастотного энергохарвестера, пьезоэлектрического вибрационного энергохарвестера). Упрощенная схема заряда от альтернативных источников энергии представлена на Рисунке 1.
Контроллер заряда позволяет работать с нестабильными источниками, имеющими диапазон выходных мощностей от 1 мкВт. Выходное напряжение выдается потребителю через высокоэффективный настраиваемый LDO-регулятор, при этом можно выбрать значение 3.3 В, 2.3 В или 1.8 В. Выходной регулятор настраивается на работу в режиме либо высокой, либо низкой мощности, что позволяет минимизировать токи утечки батареи.
Для создания источника питания на основе альтернативных источников энергии для беспроводных узлов используется солнечная батарея, радиочастотный и пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер.
В качестве нестабильного источника
энергии можно использовать пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер (Рисунок 2). На данный момент существует решение для сбора вибрационной энергии, в котором используется технология упрочненных ламинированных пьезоэлектриков RLP (Ruggedized Laminated Piezo). Пьезоэлектрический преобразователь – генератор, который преобразует механическую энергию вибрации в эквивалентную электрическую энергию, которая достигается с помощью пьезоэлектрической RLP-балки, прикрепленной к вибрационной механической структуре. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в преобразовании наведенной механической энергии в электрический заряд. Сгенерированное полезное напряжение затем преобразуется в полезное постоянное напряжение с использованием силового процессорного модуля. Модуль, который запасает мощность, включает электронную архитектуру, которая эффективно запасает сгенерированную мощность в батарее или конденсаторе.
В состав преобразователя входит композитная балка, которая включает в себя кантилеверный клин с прикрепленным пьезоэлектрическим слоем и подвешенную на его наконечнике инерционную массу. Масса преобразует входное ускорение базы в эффективную инерционную силу на наконечнике, отклоняющую балку, что наводит механическое
напряжение в пьезоэлектрическом слое.
Данное механическое
напряжение приводит к поляризации пьезокерамики, а дополнительные структуры обеспечивают электродами поляризационный ток, который далее преобразуется в полезную мощность.
В качестве нестабильного источника энергии можно использовать радиочастотный энергохарвестер. Радиочастотные энергохарвестеры могут собирать направленную радиочастотную энергию и РЧ энергию окружающей среды и преобразовывать ее в постоянный электрический ток, который может быть использован для беспроводной подзарядки батарей или питания безбатарейных устройств. Каждый приемник размещен в компактном SMD корпусе и способен обеспечивать сбор РЧ энергии и управление питанием безбатарейных устройств и устройств с микро-потреблением. Данный энергохарвестер преобразовывает РЧ энергию в постоянный электрический ток и сохраняет его в подключенном аккумуляторе или конденсаторе. Радиочастотный энергохарвестер автоматически отключает зарядку, когда на аккумуляторе достигается регулируемый порог напряжения. Упрощенная функциональная блок-диаграмма собирателя радиочастотной энергии представлена на Рисунке 3.
Также в интеллектуальном источнике питания используются солнечные энергособирающие устройства (солнечные батареи), которые основаны на фотоэлектрической технологии. Обычный солнечный модуль представляет собой структуру из двух слоев стекла с тонкопленочным слоем посередине. Прозрачный проводящий оксид наносится на прозрачный субстрат и служит для оформления электродов. На рабочий электрод наносится слой нано частиц диоксида титана толщиной 10 мкм и спекается для диффузии. Электрод с TiO2 пропитывается фото активной краской на основе рутения или органических красителей, так чтобы краска покрывала поверхность нано частиц. Свет, который попадает на краситель, высвобождает электроны и создает «дырки» - области положительного заряда. Частицы двуокиси титана подбирают электроны и переводят их во внешнюю цепь, создавая электрический ток.
Использование интеллектуальных источников питания при разработке цифровой платформы для построения беспроводных сенсорных сетей
для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга позволяет создавать широкий класс мониторинговых систем с различными датчиками в режиме реального времени. Основным преимуществом интеллектуального источника питания является получение энергии для питания сенсорных устройств из самых скудных природных ресурсов, которое позволяет размещать их без привязки к источникам внешнего питания. Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0134 , уникальный идентификатор прикладных научных исследований
RFMEFI57714X0134) с использованием оборудования
ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр».
Список литературы
1.
Суханов А.В., Прокофьев И.В., Гусев Д.В. Мультиагентная система мониторинга web-датчиков, созданная на основе наносенсорики // Нано- и микросистемная техника. -2014. №6. –С. 42-45.
2.
Суханов А.В.,
Прокофьев И.В. Программно-аппаратный комплекс сбора
и анализа данных беспроводных сенсорных сетей для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга
// Инженерные и научные приложения на базе National Instruments – 2014: Сборник трудов XIII международной научно- практической конференции, Москва 19-20 ноября 2014 г. –М.: ДМК Пресс, 2014. С. 185-187.
