Institute of Embedded Systems InES Batterielose Funksysteme Martin Würms, Martin Gysel Zurich University of Applied Science
Inhalt InES Wireless System Group Einführendes Beispiel: Funksensor Spezielle Anwendung Energy Harvesting Was ist das? Arten Beispiele Wann anwenden Systemdesign Vorteile/Nachteile Demonstration: Energy Harvesting Demo Zusammenfassung 27.05.09 2
InES Wireless System Group Zeitsynchronisation mittels IEEE1588 Redundancy Protocols (MRP, PRP) Audio/Video Bridge Ultra Wide Band Comunication (UWB MAC in VHDL) FPGA Implementationen Profinet (PNIO, easyirt, easyio) Ethernet Powerlink Entwicklungsmodelle und Methoden 27.05.09 3
InES Wireless System Group Microcontroller Wireless PAN RFID Drahtlose Kommunikation Low power Sensors, Pairing, Identification 27.05.09 4
InES Wireless System Group Microcontroller Atmel (8bit, 32bit, RF, RFID) Microchip (8bit, dspic, 32bit) TI (MSP430, RF, Cortex-M3 (Luminary Micro)) EM Microelectronic (CoolRISC, 0.9V!, 100uA@2V,1MIPS) Cypress (PSoC, PRoC) Parallax (8x32bit cores, 20MIPS/core) XMOS (4x32bit cores, 8HW threads/core, 400MIPS/core) 16-Ch IEEE802.15.4 Sniffer mit Ethernet 27.05.09 5
InES Wireless System Group Wireless Low Datarate PAN Bluetooth, Bluetooth Low Energy IEEE802.15.4 ZigBee 6LoWPAN Wireless USB Proprietär: Nordic, Semtech,... 6LoWPAN Bridge 27.05.09 6
InES Wireless System Group RFID Intelligent, passive RFID Tag 868MHz/13.56MHz Wireless Wakeup 125kHz Lokalisierung 125kHz 27.05.09 7
Einstieg: Batterielose Funksysteme Autonomes Funksystem aus der Hausautomatisierung Präsentsmelder Temperatursensor Lichtschalter Rauchmelder Türklingel etc. Funkstandards IEEE 802.15.4 (2.4GHz, bis 100m, 250 kbps, PAN) Bluetooth low energy (2.4GHz, bis 10m, 1Mbps, P2P) Andere im Bereich 400MHz, 800MHz, 2.4GHz 27.05.09 8
Energiequelle: Batterie Billig Weit verbreitet Standardisiert einfach erhältlich Verhalten bekannt Energie ist immer verfügbar Gute Betriebsspannung Begrenzte Energiequelle Muss ausgewechselt werden Kann auslaufen Selbstentladung Batterie nie 100% geleert 27.05.09 9
Anwendung mit speziellen Anforderungen Anwendung Rauchmelder in einer 5m hohen Halle Reifendrucksensor Sensor an Schiffsschraube Satellit etc. Fazit: Es gibt Anwendungen, in welchen es unmöglich ist, im Betrieb eine Batterie zu wechseln. Lösungen dazu gibt es: Energy Harvesting 27.05.09 10
Energy Harvester Primäre Energiequelle Energie aus der Umgebung beziehen Licht Temperaturdifferenz Mechanik Kleine Kraftwerke 27.05.09 11
Energy Harvester: Betriebsarten Impulsartig Bevorzugt mechanische Energie Energie wird durch ein Ereignis erzeugt Benutzer macht eine Eingabe Tür fährt an den Endschalter ein Auto fährt über eine Bodenschwelle Energie wird erzeugt, wenn sie benötigt wird Eher gering: Bereich 100 uj Kleiner Speicher 27.05.09 12
Energy Harvester: Betriebsarten Kontinuierlich Laufend wird aus der Umgebung Energie erzeugt Energie muss zwischengespeichert werden Grosser Speicher Goldcap Akku 27.05.09 13
Energy Harvester, Beispiele: impulsartig Eco100 enocean Piezo LightningSwitch 27.05.09 14
Energy Harvester, Beispiele: kontinuierlich Thermogeneratoren Vibration Solar micropelt thermo life perpetuum IXYS RF (standard) UCTag 27.05.09 15
Energy Harvesting eingesetzen Anwendung Low Power Autonom Batteriewechsel Unmöglich Sehr aufwändig Quelle Energie kann bezogen werden Liefert genügend Energie 27.05.09 16
Systemdesign System design (bottom up) Energiebedarf abschätzen low power low power Komponenten low duty cycle Speicher Energy Harvester anschliessen Quelle finden Ausgangsspannung auf Betriebsspannung bringen Akkumulieren Maximum Power Point 27.05.09 17
Systemdesign Energy Harvester sind kleine Kraftwerke Ausgangsspannung hängt von eingehender Energie ab Nicht konstant Maximum Power Point nicht konstant Quelle nicht immer verfügbar 27.05.09 18
Vor- und Nachteile Kleiner Aufwand im Betrieb: Keine Batterien mehr wechseln Kein oder sehr wenig Wartung install and forget Langlebig Gratis Energie Macht ev. neue Anwendungen möglich Teurer als eine Batterie Systemdesign Anschaffung BOM Kann nicht für jede Anwendung verwendet werden 27.05.09 19
Demonstration: Energy Harvesting operate Energie prepare harvest 27.05.09 20
ECO100 (EnOcean, CH F15.-) Output pulse C Time Mechanische Energie in Spannung Ausgangsspannungpuls: 4.5V @ 22uF (positiv, negativ) Impulsartig Gutes Strom-Spannungsverhältnis Schnell Magnetische Feldänderung 27.05.09 21
Piezo (Lightning Switch, CHF 35.-) Output voltage Movement C Mechanische Energie in Spannung Ausgangsspannung unbelastet: bis 60Vpeak (AC) Impulsartig oder kontinuierlich (Vibration) Elektrostatisches Feld dringt nicht nach Aussen Langsam Hohe Ausgangsspannung Schlechtes Strom-Spannungsverhältnis 27.05.09 22
Peltierelement (CHF 40.-) Step-up C Temperature difference N P N P N hot P N P N P N cold P N P N P I R L Temperaturdifferenz in Spannung Ausgangsspannung: ca. 50mV DC @ T = 5K Ausgangsstrom: ca. 1mA kontinuierlich Benötigt im Betrieb keine Wartung Kleine Spannung Benötigt Temperaturdifferenz 27.05.09 23
Solarcelle (IXYS, CHF 8.-) 2 solar cells + - + C - Licht in Spannung Ausgangsspannung unbelastet: 1.8V DC Strom bei diffusem Licht: ca. 50uA kontinuierlich Klein, einfach Arbeitet mit geringer Lichtstärke Kleiner Strom Abstauben 27.05.09 24
Zusammenfassung Batterien sind nicht grundsätzlich schlecht, aber in gewissen Anwendungen sollte/kann darauf verzichten werden. Anwendungsbeispiel: Sensornetzwerke Energy Harvester Impulsartig und kontinuierlich Vor- und Nachteile install and forget Langlebig Gratis Energie Teuer Systemdesign Komplex Wird teurer 27.05.09 25
Kontakt Martin Würms, dipl. El.-Ing. FH martin.wuerms@zhaw.ch Martin Gysel, dipl. El.-Ing. FH martin.gysel@zhaw.ch Prof. Dr. Marcel Meli, dipl. El.-Ing. (Head of Wireless System Group) marcel.meli@zhaw.ch Zurich University of Applied Sciences (ZHAW) Institute of Embedded Systems (InES) Technikumstr. 22 CH-8401 Winterthur Tel: +41 58 934 75 25 / Fax: +41 58 935 75 25 info.ines@zhaw.ch 27.05.09 26