Energieeffizienter und günstiger LoRa-Knoten betrieben mit Solarenergie (Präsentiert an der Embedded Computing Conference Winterthur, 5. September 2017) Manuel Brütsch, Marcel Meli Kontakt: Prof. Dr. Marcel Meli Marcel.Meli@zhaw.ch Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 1
Ausblick 1. Unsere Kompetenzen 2. Einleitung und Motivation 3. Konzept 4. Hardware 5. Messungen 6. Resultate 7. Weiteres Vorgehen Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 2
Unsere Kompetenzen Institute of Embedded Systems Kernkompetenzen FPGA-basierte Systeme für Netzwerkkommunikation Zeitsynchronisation und High- Availability-Netzwerke Real-Time-Ethernet, sichere und zuverlässige Systeme Low-Power Embedded Wireless Kommunikation Source: ZHAW Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 3
Unsere Kompetenzen Low-Power Embedded Wireless Kommunikation Wireless: RFID, Bluetooth, Long Range, 802.15.4, ZigBee, Low Power Embedded Systems, Power Management Energy Harvesting: Solar, Piezo, Seebeck, RF, Power Management, HW/SW, Kooperationen mit Halbleiterfirmen TEG RF LEDs Piezo Tiny solar (BLE) Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 4
Unsere Kompetenzen Source: ZHAW LED betriebener energieautonomer Sensor für BLE Energie von 4 roten LEDs Sendet Daten im BLE ADV Format Update Rate von weniger als einer Minute möglich Funktioniert outdoor aber auch indoor Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 5
Unsere Kompetenzen Source: ZHAW Dynapic Wireless Drücken zum Senden einer Wireless Nachricht Betrieben einzig und allein durch Piezoenergie Dünn, robust, klein, anpassbar Passt auf viele Oberflächen Keine Klicks Über 10 000 000 Mal Betätigungen Kooperation Algra, Microdul, ZHAW Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 6
Unsere Kompetenzen Batterieloser Presenter Innovative Anwendung von Dynapic Wireless Erzeugte Energie des Piezos wird zur Steuerung einer Präsentation verwendet Taste 1 = Nächste Folie Taste 2 = Letzte Folie Weitere Version mit einem Piezo und Lagesensor Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 7
Unsere Kompetenzen Batterieloser Presenter Innovative Anwendung des Dynapic Wireless Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 8
Unsere Kompetenzen Logistik System Order button near goods On press: Wireless signal sent Gateway receives order. Feeds into ordering system Authorised person stops/confirms order on PC or Handy Any employee can start the process in a second Order is sent Stock of paper Low? Press to order Stock of medi Low? Press to order Stock of.. Low? Press to order Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 9
Einleitung und Motivation Wie versorgen wir Milliarden von IoT Geräten mit Energie? o o Milliarden von IoT Geräten in verschiedenen Anwendungen werden in den kommenden Jahren ihren Betrieb aufnehmen Viele davon werden Wireless Kommunikation verwenden und einige davon auch Long Range Aber wie werden diese Long Range Geräte mit Energie versorgt? Wir beschränken uns dabei auf LoRa und LPWAN Systeme mit vergleichbaren Anforderungen Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 10
Einleitung und Motivation Energiequellen für IoT Geräte o o o Stromnetz: Falls verfügbar Keine Mobilität Batterien: Weit verbreitete Energiequelle für IoT Geräte Resourcenintensives Ersetzen der Batterien Ökologische Probleme und nicht erwünscht in bestimmten Umgebungen Energy Harvesting: Solar, Seebeck (Peltier), Piezo, usw Erhöht die Kosten des Gerätes Viele Fortschritte bei WPAN Systemen, doch was ist mit LPWAN Systemen? Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 11
Einleitung und Motivation Low-Power-Wide-Area-Network-Systeme (LPWAN) o Wichtige Elemente im Bereich IoT o Übertragung von kleinen Datenmengen über grosse Distanzen o Tiefe Datenrate grosse Distanzen ohne zusätzliche Gateways o Braucht mehr Zeit und daher auch mehr Energie Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 12
Einleitung und Motivation Low-Power-Wide-Area-Network-Systeme (LPWAN) LPWAN Dutzende bis zu Hunderte mj Dutzende bis Hunderte uj für Dutzende von Bytes LoRa Bis zu mehreren Joules Low-Power-WPAN BLE, ZigBee und andere 802.15.4 Protokolle Wireless Wide Area Network (WWAN) GSM Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 13
Einleitung und Motivation Energy Harvesting stösst langsam an seine Grenzen! Entwicklung eines extrem effizienten Powermanagements wird notwendig Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 14
Konzept Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 16
Konzept Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 17
Hardware Microcontroller (STM32L151) Radio (Semtec SX1272) Sensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Beschleunigung) Powermanagement (EM8500 + benötigter HW/SW Support) Solarzelle (Gcell, aktive Fläche = 140 x 24mm) Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 18
Hardware Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 19
Hardware Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 20
Messungen: Lichtkammer Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 21
Messungen: Berechnungen LTS = 220mF Ladezeit von 2.4V auf 3.7V bei o 600 Lux: 2912s o 2000 Lux: 482s Energie E = C U2 2 = 220mF (3.72 2.4 2 ) 2 = 872mJ Genügt für das Auslesen der Sensoren und Versenden der Daten mit SF12 und einer Ausgangsleistung von +14dBm Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 22
Messungen: Setup TX Parameter RF Frequency: 868 MHz TX Output Power: 14 dbm Bandwidth: 125 khz Spreading Factor: 10 Coding Rate: 4/5 Paket Format (Total: 21 Bytes) Ort Fenster an einem sonnigen Tag Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 23
Messungen Zoom 1 Zoom 2 Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 24
Messungen: Zoom 1 Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 25
Messungen: Zoom 2 Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 26
Resultate Performance Sonniges Fenster: o 1013 Pakete gesendet und empfangen in 7h20min 138 Pakete / Stunde o Mehr als 2 Pakete pro Minute Gleiches Setup in Büroraum mit 500-700 Lux: o Paket alle 12-15 Minuten Schon nahe an den Limitierungen von Swisscom Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 27
Resultate LoRa Limitierungen von Swisscom (XXL-Angebot) http://lpn.swisscom.ch/e/our-offering/ o Up: 144 Pakete pro Tag o Down: 14 Pakete pro Tag Alle 10 Minuten kann ein Paket versendet werden Reicht für viele Class A Anwendungen Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 28
Weiteres Vorgehen Weitere Tests und Optimierungen mit der entwickelten Hardware Optimierung für schlechte Lichtverhältnisse Optimierungen betreffend Grösse und Preis Entwicklung einer Version, welche bei Tag und Nacht funktioniert Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 29
Fragen und Kontakt Fragen??? Kontakt: marcel.meli@zhaw.ch Zürcher Fachhochschule Embedded Computing Conference, Winterthur 5. September 2017 page 30