IoT-Cluster

IoT-Anwendungen haben oftmals keinerlei Möglichkeit sich mit dem Stromnetz zu verbinden und Batterien sind aufgrund des Platzbedarfs keine Option.

Mittlerweile entwickeln viele Unternehmen IoT-Sensoren, die Geräte mit lokaler Intelligenz ausstatten. Damit lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Parameter messen, die Daten lokal verarbeiten und in der Cloud teilen. Außerdem sollen Sensoren immer mehr Informationen von gleich mehreren Sensoren verarbeiten und teilen, während sie gleichzeitig so wenig Strom wie möglich verbrauchen. Heute verlassen sich viele auf die chemische Batterietechnologie, um die benötigte Energie zu liefern. Dabei stellt sich die Frage, ob dies der beste Weg ist, um IoT-Sensoren in Zukunft mit Energie zu versorgen.

Der Einsatz von Batterien wird heute immer schwieriger. Gesetze wie die europäische Batterierichtlinie machen Verbraucher und Hersteller nicht nur für die Batterie während ihrer Nutzung verantwortlich, sondern auch für ihre Entsorgung am Ende ihrer Lebensdauer, was die Entsorgung eines Produkts oft kostspielig und schwierig macht. Auch die Materialien, die in den Batterien selbst verwendet werden, sind oftmals problematisch. Woher stammen die verwendeten Materialien? Wurden sie von einer vertrauens- und verantwortungsvollen Bezugsquelle geliefert? Sind sie nachhaltig? Darauf gilt es Antworten zu finden, zumal der Bedarf an Batteriematerial aufgrund der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in den nächsten Jahren massiv steigen wird. Auch andere Fragen, wie der Formfaktor oder sogar das Gewicht der benötigten Batterien, werden an Bedeutung gewinnen, getrieben durch Anwendungen wie Wearables und medizinische Sensoren.

Digitaler Thementag IoT-Applikation am 09.11.2021

Digitaler Thementag IoT-Applikation am 09.11.2021

Welche Komponenten sind für das Internet of Things (IoT) erforderlich, welche Sensoren, Aktuatoren, Connectivity/Netzwerkanbindung, Gateways, Protokolle, Software, Security-Lösungen, etc.? Wie werden die Daten gesammelt, gesendet und ausgewertet? Welche Benutzer will ich mit dem System erreichen? Wie mache ich das Produkt letztlich auch zu einem geschäftlichen Erfolg?

Genau hier setzt der Thementag IoT von all-electronics.de an, denn an diesem Tag geht es nicht nur um irgendein Einzelelement, sondern um die Auswahl für und das Zusammenwirken im Zielsystem und darum, was bei der Auswahl der passenden Komponenten, Technologien und Software wirklich wichtig ist.

Weitere Informationen und die Anmeldung finden Sie hier.

Batterielose IoT-Sensoren

In diesem Artikel wird die Entwicklung eines einfachen batterielosen IoT-Sensors erläutert, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit misst und die Daten über ein LoraWAN-Funkmodul in der Cloud teilt.  Diese Anwendung läuft auf einem stromsparenden Mikrocontroller. Dieser wird von einer kleinen Solarzelle mit Strom versorgt, speichert die Energie der Solarzelle in einem Superkondensator und steuert die Energie, um die Stromversorgung sowohl des Sensors als auch des LoraWAN-Funkmoduls zu regeln, was die Energieeffizienz der Anwendung optimiert.

Batterieloser LoRaWAN-Sensor

Zudem gab es oft auch noch weitere Anforderungen. Viele Anwendungen erfordern längere Produktlebensdauern, als sie mit herkömmlichen Batterietechnologien erreicht werden können. Das führt wiederum zu einer erhöhten Nachfrage nach ausgefalleneren und teureren Batterietechnologien. Diese können in einigen Anwendungen eine Betriebsdauer von bis zu 10 Jahren oder mehr bieten, was jedoch mit höheren Kosten sowohl für die Umwelt, als auch für das Produkt verbunden ist.

Eine Anwendung kann beispielsweise viele Jahre lang in eine Brücke oder ein Gebäude eingebettet sein. Es kann sich sowohl als schwierig als auch teuer erweisen, den Zugang zum Sensor zu ermöglichen, um eine Batterie zu ersetzen oder aufzuladen. Die Kosten für das Anhalten des Verkehrs auf einer Brücke, nur um die Batterien in einem Sensor auszutauschen, wären unerschwinglich. Aus diesem Grund gilt es für viele Anwendungen, eine alternative Energiequelle zu finden.

Bild 1: Lora-Sensor-Prototypensystem mit Solar-Panel zur Energieversorgung. (Bild: Renesas)
Bild 1: Lora-Sensor-Prototypensystem mit Solar-Panel zur Energieversorgung. (Bild: Renesas)

Energy Harvesting als Stromquelle

Energy Harvesting, das Gewinnen von Energie für die Stromversorgung von Sensoren aus der unmittelbaren Umgebung, hilft dabei, vielen dieser Herausforderungen beizukommen. Es bietet die Möglichkeit, Batterien aufzuladen bzw. sogar ganz auf diese zu verzichten. Damit lassen sich Anwendungen unterstützen, die fast unbegrenzt ohne externen Eingriff laufen können.

Als erste Komponente ist der Mikrocontroller auszuwählen. Als Gehirn des Systems muss er nicht nur den Betrieb des Systems und alle Verarbeitungsanforderungen des Systems steuern, sondern dies auch mit der verfügbaren Energie bewerkstelligen. Renesas hat hierfür die RE01-Mikrocontroller-Familie entwickelt, um genau dies zu tun. Implementiert auf einem Ultra-Low-Power-Prozess, ist die Baureihe in der Lage, mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Spannung zu arbeiten und dabei sehr wenig Strom zu verbrauchen.

Der RE01 verbraucht weniger als 25 µA/MHz im aktiven Modus und nur 100 nA im Deep-Standby-Modus. Er verfügt über eine Stromversorgungsarchitektur mit mehreren internen und externen Power-Domains, die mit bis zu 64 MHz und bis zu 1,62 V arbeiten können. Der Baustein verfügt außerdem über eine breite Palette von stromsparenden On-Chip-Peripheriefunktionen. Dazu gehört ein 14-Bit-Analog-Digital-Wandler, der Daten abtasten kann, während der gesamte Chip weniger als 4 µA verbraucht.  

Bild 2: Sensor-Architektur mit LoraWAN zur Datenübertragung. (Bild: Renesas)
Bild 2: Sensor-Architektur mit LoraWAN zur Datenübertragung. (Bild: Renesas)

Der RE01 verfügt außerdem über einen Energy-Harvesting-Controller, der es dem Gerät ermöglicht, mit Anlaufströmen von nur wenigen µA zu arbeiten. Außerdem bietet er Unterstützung für die Steuerung externer wiederaufladbarer Batterien und Superkondensatoren. Der RE01 kann eine auf dem Chip integrierte, geregelte Low-Drop-Out-Spannungsversorgung zur internen Stromversorgung nutzen. Alternativ lässt sich die interne Versorgung des RE01 deaktivieren und ein effizienterer externer DC/DC-Wandler nutzen, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Im Falle des Evaluierungsboards kann die externe Stromversorgung mit dem Renesas ISL9213 den Stromverbrauch um fast 50 Prozent senken. Diese Funktionen machen den Baustein zur idealen Lösung für den Aufbau einer Energy-Harvesting-Anwendung.

Diese Anwendung baut auf dem Evaluierungsboard RE01-256K auf, das verschiedene Hardware-Anschlüsse enthält, wie z. B. eine Arduino-Uno-Schnittstelle, die ein einfaches Prototyping dieser Anwendung ermöglicht.  Das Board wird zudem mit einem MiP-(Memory in Pixel)-Grafik-LCD-Erweiterungsboard geliefert, das ein TN0181ANVNANN MiP-Display umfasst. Es ermöglicht visuelle Statusanzeigen, während es im Durchschnitt weniger als 1 µA Strom verbraucht. Da das Board auch für Energy Harvesting ausgelegt ist, lässt sich eine amorphe Solarzelle vom Typ Panasonic AM-1815CA direkt an den On-Chip Energy-Harvesting-Controller des RE01 anschließen. Sie liefert genug Energie, um den Sensor zuverlässig zu betreiben, ist aber nicht so groß, dass sie die Grundfläche des Sensors vergrößert.

Bild 3: TX- und RX-Timing in einem LoraWAN-Gerät der Klasse A. (Bild: Renesas)
Bild 3: TX- und RX-Timing in einem LoraWAN-Gerät der Klasse A. (Bild: Renesas)

Als Sensor kommt der Renesas HS3001 High-Performance-Sensor für relative Temperatur und Feuchtigkeit zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen vollständig kalibrierten Sensor für relative Feuchtigkeit und Temperatur, der sich durch eine schnelle Messreaktionszeit und Langzeitstabilität auszeichnet und im Betrieb nur 1,0 µA verbraucht.  Untergebracht ist der Sensor in einem kompakten 6-Pin-LGA-Gehäuse. Eine integrierte Kalibrier- und Temperaturkompensationslogik liefert vollständig korrigierte relative Temperaturwerte über eine Standard-I²C-Schnittstelle. Die Messdaten werden intern korrigiert und kompensiert, so dass ein präziser Betrieb über einen weiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich möglich ist, ohne dass eine Kalibrierung durch den Anwender erforderlich ist.

Als Energiespeicherelement dient ein AVX-Superkondensator, der sich auf das Evaluierungsboard RE01-256K aufstecken lässt.

Die letzte Hauptkomponente ist der Sub-GHz LoraWAN-Transceiver SX1261. Eine LoraWAN-Netzwerkarchitektur ist als Sterntopologie konfiguriert, bei der ein LoraWAN-Gateway zum Einsatz kommt, um Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver zu senden. Hier fungiert das Gateway als transparente Brücke, die LoraWAN-Pakete in IP-Pakete umwandelt und umgekehrt, um eine robuste und einfach einzurichtende Verbindung zum zentralen Server zu ermöglichen.

In diesem Design ist geplant, dass sich der batterielose Sensor wie ein LoraWAN Class A Device verhält. LoraWAN-Endgeräte werden typischerweise in drei verschiedene Klassen eingeteilt: Klasse A, Klasse B und Klasse C. Jede dieser Geräteklassen adressiert jeweils unterschiedliche Anwendungsanforderungen.

Evaluierungsboard
Bild 4: RE01-256K Evaluierungsboard mit dem SX1261 LoraWAN Arduino Shield und MiP Display Board. (Bild: Renesas)

Geräte der Klasse A sind die Standardklasse und die Funktionen müssen immer von allen LoraWAN-Endgeräten unterstützt werden. Sie sind auch die Geräteklasse mit dem geringsten Stromverbrauch. Bei einem Gerät der Klasse A wird die Kommunikation immer vom Sensor initiiert. Sie ist bidirektional und vollkommen asynchron. Eine Uplink-Übertragung kann jederzeit vom Sensor initiiert werden und wird von zwei kurzen Downlink-Fenstern, RX1 und RX2, begleitet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Sowohl Sensor als auch LoraWAN-Server können das Timing der Downlink-Fenster steuern.

Geräte der Klasse B fügen der Klasse-A-Spezifikation Empfangsfenster hinzu. Geräte der Klasse B werden über periodische Beacons mit dem Netzwerk synchronisiert und öffnen Downlink-"Ping-Slots" zu geplanten Zeiten. Dies bietet dem Netzwerk die Möglichkeit, Downlink-Kommunikation mit einer deterministischen Latenz zu senden, allerdings auf Kosten eines gewissen zusätzlichen Stromverbrauchs im Endgerät.

Geräte der Klasse C reduzieren die Latenzzeit auf dem Downlink, indem sie den Empfänger des Endgeräts immer dann offen halten, wenn das Gerät nicht sendet (Halbduplex). Auf dieser Grundlage kann der Netzwerkserver jederzeit eine Downlink-Übertragung unter der Annahme initiieren, dass der Empfänger des Endgeräts offen ist, so dass keine Latenz entsteht. Das bedeutet, dass die Klasse C nur für Anwendungen geeignet ist, bei denen eine kontinuierliche Stromversorgung vorhanden ist.

Bild 5: Sensor-Software-Architektur. (Bild: Renesas)
Bild 5: Sensor-Software-Architektur. (Bild: Renesas)

Für die vorliegende Beispielanwendung wird ein Machbarkeitsnachweis für den Sensor erstellt, indem das Semtech LoRaWAN Arduino Shield auf dem RE01-256K-Evaluierungsboard montiert wird, um die Sensorbaugruppe (siehe Bild 4) zu realisieren.

Abbildung 6 zeigt die im Flussdiagramm dokumentierte Hauptroutine der Sensoranwendung.  Die Hauptanwendung wird gestartet, sobald der Energy-Harvesting-Controller erkannt hat, dass ausreichend Energie im Superkondensator vorhanden ist, um die Hauptroutine auszuführen und genügend Strom für den Betrieb der Sensoren und des Funksystems vorhanden ist.

Bild 6: Sensor-Software-Flussdiagramm der Sensorsystems. (Bild: Renesas)
Bild 6: Sensor-Software-Flussdiagramm der Sensorsystems. (Bild: Renesas)

Für viele Anwendungen besteht keine Notwendigkeit, die Daten so regelmäßig zu teilen. Zum Beispiel ändern sich Temperatur und Luftfeuchtigkeit selten so schnell. Da das Funkmodul den Großteil der Energie in dieser Anwendung verbraucht, kann eine Erhöhung der Zykluszeit, mit der die Anwendung arbeitet, den durchschnittlichen Stromverbrauch deutlich senken. 

Die Entwicklung dieser Anwendung hat gezeigt, dass es möglich ist, eine komplette IoT-Sensoranwendung aufzubauen, die zuverlässig mit einer kleinen Solarzelle betrieben werden kann, ohne dass eine Batterie benötigt wird. Abhängig von den Lichtverhältnissen, in denen diese Anwendung zum Einsatz kommt, ist es möglich, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit einmal alle ein bis zwei Minuten zu messen, die Daten an das LoRaWAN®-Gateway zu senden sowie die Daten in der Cloud zu teilen.

Es ist zudem möglich, die gleiche grundlegende Hard- und Softwarestruktur der Anwendung zu verwenden und den Superkondensator durch eine wiederaufladbare Batterie zu ersetzen, wenn eine Reihe anderer Leistungsmerkmale erforderlich ist. Der Einsatz von leicht erhältlichen Evaluierungsboards und ein einfacher, per Download erhältlicher Software-Stack machen es einfach, diese Architektur auszuprobieren und mit der Entwicklung eines batterielosen Sensors zu beginnen. (prm)

Autoren

Graeme Clark

Product Marketing Manager bei Renesas

Kazuya Hashimoto

Application Engineer bei Renesas

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