Valutazione di tecniche di energy harvesting per applicazioni industriali basate su microcontrollori/SoC a basso

assorbimento

Dipartimento di Ingegneria e Architettura

Corso di laurea in Ingegneria dell’Informazione

Tesi di laurea triennale

Relatore: Prof. Ing. Sergio CARRATO

Correlatore: Piergiorgio MENIA

Laureando:

Edoardo

DEGRASSI

Introduzione I dispositivi wireless sono molto diffusi: la loro portabilità è

dovuta alle batterie.

Wireless Sensor Networks: le batterie sono una limitazione: costi di mantenimento, raggiungibilità di sensori remoti. Batterie determinano la vita utile del nodo della rete.

Si vuole prolungare la vita della batteria o farne a meno. Come fare?

Energia presente nell’ambiente: luce, gradienti termici, RF, vibrazioni e movimento.

Energy harvesting

Cella solare Trasduttore piezoelettrico

Rectenna Thermoelectric generator

Obiettivo Tirocinio e tesi presso Elimos S.r.l., AREA Science Park.

Obiettivo: valutare se le tecnologie di energy harvesting sono in grado di alimentare un sistema reale.

Test 1: 1 cella solare in silicio monocristallino 10x10 cm, 1 cella solare in silicio amorfo 3x5 cm.

Test 2: trasduttori piezoelettrici

modello V22B, V25W.

Valutazione trasduttori Obiettivo: verificare la potenza ottenibile dai vari

trasduttori.

Celle solari: curva I-V. In silicio cristallino 10x10 cm:

Valutazione trasduttori

Cella in silicio amorfo 3x5 cm:

Valutazione trasduttori Prova alternativa: Cella in silicio amorfo sotto lampada al neon da 16 W, alla

distanza di 12 cm:

Valutazione trasduttori Trasduttori piezoelettrici:

studiare la loro frequenza naturale.

Materiale utilizzato: shaker, accelerometro,

raddrizzatore a ponte, generatore di funzioni.

Prove ad accelerazioni di 0.5 g e 1 g.

Massa aggiuntiva per:

estrarre più potenza,

abbassare la frequenza naturale.

Valutazione trasduttori Trasduttore V22B:

Valutazione trasduttori: Trasduttore V22B, massa pari a 2.06 grammi:

Valutazione trasduttori Trasduttore V25W:

Valutazione trasduttori Trasduttore V25W, massa pari a 10.2 grammi:

Valutazione trasduttori Potenza ottenibile dal trasduttore V25W, con massa

aggiuntiva, in funzione della resistenza di carico:

Integrati della Linear Technology La tensione in uscita dai trasduttori deve essere adattata

alla tensione richiesta dal carico.

Convertitori: BOOST (STEP-UP)

BUCK (STEP-DOWN)

Se sorgente ambientale ha andamento discontinuo bisogna caricare un elemento di accumulo.

LTC3105, LTC3588.

Potenza utilizzabile Obiettivo: trovare la potenza effettivamente utilizzabile.

Tensione di uscita dalle demo boards pari a 3.3 V.

Potenza disponibile:

Cella solare in silicio cristallino: 103.8 mW

Trasduttore piezoelettrico V25W: 0.9 mW, a 0.5 g.

Valutazione pratica Obiettivo: implementare un sistema reale alimentato

solamente dal V25W.

Sistema basato su microcontrollore, che si accende solo in presenza di vibrazioni e gestisce una trasmissione wireless.

MCU: Atmel AVR ATmega16L.

ATmega16L Microcontrollore a 8 bit, RISC, architettura Harvard.

Obiettivo: minimizzare l’assorbimento di corrente:

Disabilitati:

Frequenza di clock minimacon quarzo esterno da 32.768 kHz

Tensione di alimentazione pari a 3.3 V

Brown-out detector Ckopt ADC Comparatore analogico Watchdog timer

ATmega16L

Impostati tutti i pin come input, abilitati tutti i resistori di pull-up.

Diversi consumi nelle varie modalità di sleep:

Active: 90 µA

Idle: 19 µA

Extended Standby: 8 µA

Trasmissione wireless Obiettivo: simulare un consumo in trasmissione simile a

quello delle LR-WPANs (IEEE 802.15.4). Trasmissione simulata facendo accendere un LED che

consuma quanto una TX reale.

PAN1721 (14 mA, 0 dBm)

BLE112 (30mA, -2 dbm)

CC2550 (30mA, 0 dBm)

Resistenza di 4.1 Ω in serie al LED consumi: 30.6 mA.

Impostato il prescaler del Timer0 del MCU LED acceso per 62.5 ms.

Implementazione Elemento di accumulo: condensatore. Dimensionamento:

Utilizzato C da 4700 µF, 25 V.

Sfruttate le modalità di sleep in modalità Active per 62.5 ms, poi in modalità Idle.

Implementazione

Conclusioni Valutati i diversi trasduttori singolarmente e verificata la

potenza utilizzabile da essi (tramite ICs).

Implementato sistema a basso assorbimento basato su microcontrollore ATmega16L, che gestisce una TX simulata.

Il sistema implementato è in grado di gestire dei consumi di 30.6 mA per 62.5 ms ogni 8 secondi.

Sviluppi futuri: studiare il V22B, implementare una trasmissione wireless reale.

Back-up Rectenna

Back-up TEG

Back-up Trasduttore piezoelettico

𝑓 𝑛=12π √𝐾𝑚

Back-up Schema a blocchi del sistema finale: