השימוש במיקרו-בקר קצירת אנרגיה כדי לחסוך בהחלפת סוללות בהתקני IoT

המתכננים של התקני אינטרנט של דברים (IoT‏) חופשיים מחפשים בהתמדה אחר דרכים טובות יותר לספק כוח להתקנים אלו כדי להקטין למינימום את זמן ההשבתה ביישומים תעשייתיים, מסחריים או לצרכנים. יש לנטר ברציפות את הסוללות העיקריות, וכשבסופו של דבר מחליפים אותן, הן מוסיפות בעיית סילוק משמעותית. סוללות נטענות מטפלות בבעיית הסילוק, אך יש לפרק את ההתקנים, להטעין אותם ולהרכיב מחדש.

מגבלות הגישות המסורתיות גרמו לעניין מוגבר בטכניקות קצירת אנרגיה בהן משתמשים באנרגיית הסביבה כדי להזין את ההתקן. הבעיה עבור המתכננים היא שהמעגלים הדרושים לקצירת אנרגיה וטעינה של סוללות יכולים להוסיף משמעותית למורכבות, לגודל ולעלות של התכנים.

מאמר זה מתאר בקצרה את הטיעונים לשימוש בקצירת אנרגיה ביישומי IoT ומתווה כמה מהאתגרים העומדים בפני המתכננים. לאחר מכן הוא מציג גישה המתגברת על אתגרים אלו על ידי שילוב של קצירת אנרגיה ומעגלי ניהול טעינת סוללות על מיקרו-בקר (MCU‏). באמצעות פיתרונות התקנים לדוגמה ולוחות הערכה נלווים מבית Renesas, המאמר יראה כיצד ליישם את הגישה כדי לחסוך את הצורך בהחלפת סוללות בהתקני IoT.

מדוע להשתמש בקצירת אנרגיה עבור IoT?

קצירת אנרגיה היא פיתרון אטרקטיבי עבור יישומי IoT כגון מערכות חיישנים אלחוטיים בהספק נמוך, כאשר היא מאפשרת פריסה של התקנים נטולי-חוטים לחלוטין הדורשים מעט תחזוקה או כלל לא. בדרך כלל, התקנים אלו עדיין זקוקים לסוללה נטענת או לסופר-קבלים כדי לענות על דרישות הספק השיא.

בעיקרון, על ידי קצירת אנרגיית הסביבה, המערכת יכולה להפעיל התקן אחסון אנרגיה קטן יותר ולהאריך את חיי השימוש שלו. בתורו, תכן ה- IoT המתקבל יכול להשתלב במארז קטן יותר כל עוד פונקציונליות קצירת האנרגיה מוסיפה מעט למספר החלקים של התכן. אולם בפועל הצורך ברכיבים נוספים למימוש קצירת אנרגיה הוא מתסכל כאשר מנסים להקטין את חתימת-השטח.

הבעיה היא שמקור הספקת-כוח של קצירת אנרגיה דורש בדרך כלל התקנים נפרדים כדי לקצור את אנרגיית הסביבה ולהבטיח ניהול טעינה נכון עבור התקני אחסון האנרגיה כמו סוללה נטענת או סופר-קבלים. נוסף לתכנון מערכת אלחוטית שהיא ממילא מינימליסטית והכוללת מיקרו-בקר, חיישן ומקמ"ש תדר רדיו (RF), פונקציונליות נוספת זו עלולה להפוך תכן פשוט עם מעט חלקים למורכב יחסית (איור 1).

איור 1: השימוש בקצירת אנרגיה בהתקני IoT יכול לשחרר את המשתמשים מכאבי הראש של תחזוקת הסוללות, אך הדרישות הנוספות הביאו בדרך כלל להתקנים גדולים יותר אינקרמנטלית, למורכבות תכנון גדולה יותר ולעלות גבוהה יותר; כל אלה מנוגדים לדרישות של תכן IoT חופשי. (מקור התמונה: Renesas)

מזעור הרכיבים עבור תכני IoT‏

עד כה, רבים מהרכיבים השונים הנדרשים עבור קצירת אנרגיה שולבו במודולים מיוחדים ובמעגלים משולבים לניהול הספקת-הכוח (PMIC) כגון ה- LTC3105‏/LTC3107‏ מבית Analog Devices‏, S6AE101A‏ מבית Cypress Semiconductor‏, MCRY12-125Q-42DIT‏ מבית Matrix Industries‏ ורבים אחרים. התקנים כאלו מספקים פס מתח מיוצב מתא סולארי, גנרטור תרמואלקטרי (TEG‏), מתמר רעידות פייזואלקטרי, או מקור אנרגיה אחר. ככאלה, הם יכולים לשמש כספק כוח שלם של קצירת אנרגיה עבור תכן חומרת IoT בסיסי. ועדיין, המתכננים צריכים לדחוף את מעטפת הביצועים כדי לעמוד בדרישות היישום ולשמר או להשיג יתרון תחרותי.

משפחת המיקרו-בקרים RE01‏ מבית Renesas מסייעת למטרות אלו מכיוון שהיא לוקחת את גישת האינטגרציה עוד צעד אחד קדימה הודות להכללת בקר קצירת אנרגיה (EHC) בתוך ההתקן. למעשה, המיקרו-בקר RE01‏ יכול להשתמש ב- EHC המובנה שלו כדי להטעין סוללה משנית תוך הספקת-כוח מערכת ליתר ההתקן. יותר מאשר התקן קצירת אנרגיה בלבד, ה- RE01 כולל את ה- EHC שלו עם ליבת +Cortex®-M0‏ ®Arm‏ של 64 מגה-הרץ (MHz‏), זיכרון Flash‏ על-השבב, בלוק Trusted Secure Intellectual Property‏ (TSIP‏), ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) Bit‏-14‏, קוצבי-זמן ומספר ממשקי רכיבים היקפיים (איור 2‏).

איור 2: נוצרה על מנת לפשט תכנון התקנים מוזני-סוללות, משפחת המיקרו-בקרים RE01‏ מבית Renesas משלבת בקר קצירת אנרגיה שלם עם ליבת מעבד +ARM Cortex-M0, זיכרון Flash‏ על-השבב ומספר ממשקי רכיבים היקפיים. (מקור התמונה: Renesas)

מתוכנן כדי לפשט מימוש התקני IoT מוזני-סוללות, ה- RE01 משלב מערך מקיף של פונקציונליות היקפית רלוונטית. ביחד עם ממשקי ADC והממשק הטורי שלו עבור שילוב חיישנים, ההתקן כולל מעגל בקרת דוחף מנוע (בלוק "MTDV" באיור 2) המסוגל לדחוף עד שלושה מנועים; מקור זרם קבוע המסוגל לדחוף שלוש דיודות פולטות אור (LED) חיצוניות; ומחולל פולסים במהירות נמוכה (LPG‏). עבור יציאת תצוגה, המיקרו-בקר RE01‏ משלב מאיץ גרפי לעיבוד תמונה דו-ממדי (2D) כמו גם בקר צג גביש נוזלי (LCD‏) Memory-in-Pixel‏ (MIP‏). עבור דרישות בקרה בזמן-אמת, המיקרו-בקר כולל גם קוצב-זמן Watchdog, שעון זמן-אמת (RTC) ומעגל תיקון שעון (CCC) השומר על דיוק השעון. עבור קוד תוכנה ונתונים, משפחת RE01 משלבת את הפונקציונליות המוזכרת לעיל בהתקנים נוספים, כולל ה- R7F0E015D2CFP‏ (RE01 1500KB) עם 1,500 קילו-בייט (Kbytes) של זיכרון Flash‏, ואת ה- R7F0E01182CFM‏ (RE01 256KB) עם 256 קילו-בייט (Kbytes) של זיכרון Flash‏.

לצד היכולות הפונקציונליות שלו, המיקרו-בקר RE01 מספק שפע של אפשרויות למציאת האיזון הדרוש בין הביצועים לבין צריכת ההספק. המיקרו-בקר יכול לפעול במספר אופני פעולה המקטינים למינימום את צריכת ההספק על ידי הורדת תדר הפעולה מקצב מקסימלי של MHz‏ 64‏ לקצב נמוך יותר של 32.768 קילו-הרץ (kHz) באופן זרם זליגה נמוך, עם תדרי ביניים באופן פעולה רגיל של MHz‏ 32‏ או MHz‏ 2‏. בפעולה טיפוסית, ה- R7F0E015D2CFP RE01 1500KB צורך זרם אקטיבי טיפוסי של 35 מיקרו-אמפר לכל מגה-הרץ (µA/MHz‏) בלבד, וזרם של 500 ננו-אמפר (nA‏) בלבד באופן-המתנה ב- 1.62 וולט. ממיר 14‎-Bit ADC שלו צורך µA‏ 4‏ בלבד, וכתיבה-מחדש לתכנות זיכרון Flash‏ צורכת 0.6 מילי-אמפר (mA‏) בלבד. בהספקת הכוח עבור פעולות רגילות אלו, ה- EHC של המיקרו-בקר RE01‏ משלב מערך יכולות נרחב שנועד להקל על יישומי קצירת אנרגיה וניהול סוללות.

בקר קצירת אנרגיה משולב מפשט את התכן

הודות ל- EHC המשולב שלו, המיקרו-בקר RE01 הופך את מימוש קצירת האנרגיה לפעולה שגרתית למדי. המפתחים צריכים רק לחבר אלמנט ייצור הספק כגון תא סולארי, TEG או מתמר רעידות ישירות לפיני VSC_VCC ו- VSC_GND של המיקרו-בקר. כאשר יש אנרגיית סביבה מספקת, ה- EHC יכול לדחוף את פיני היציאה לטעינת סוללה משנית (VBAT_EHC), קבל אחסון (VCC_SU) והתקנים חיצוניים אחרים (איור 3).

איור 3‏: בקר קצירת האנרגיה המשולב של המיקרו-בקר RE01‏ מבית Renesas מאפשר למפתחים לנצל במהירות את קצירת האנרגיה. (מקור התמונה: Renesas)

פשטות התכן נובעת מהמערך השלם של בלוקים פונקציונליים הכלול בתוך המיקרו-בקר RE01‏ כמתואר באיור 4‏.

איור 4: בקר קצירת האנרגיה המשולב של המיקרו-בקר RE01‏ מבית Renesas כולל את כל הפונקציונליות הנדרשת לניצול אלמנט ייצור ההספק ליצירת יציאות המתח הנדרשות. (מקור התמונה: Renesas)

ביחד עם הבלוקים הפונקציונליים שלו, ה- EHC מספק מספר מעגלי ניטור מתח כמו גם מספר אוגרי סטטוס ובקרה עבור ניהול הספקת-הכוח. לדוגמה, דגלון סטטוס ייצור ההספק (ENOUT) מציין אם אותו אלמנט מייצר זרם. ומן הצד השני, דגלון ניטור יעד הטעינה (CMPOUT) מציין אם מתח הטעינה אכן מופעל על הסוללה המשנית או על קבל האחסון. לכל אחד ממאפיינים אלו יש תפקיד כאשר ה- EHC‏ מתקדם דרך מצבי הפעולה הקשורים באתחול, פעולות רגילות ודלדול הסוללות (איור 5‏).

איור 5‏: באמצעות ניטור המתחים הפנימי ואוגרי ודגלוני הסטטוס, בקר קצירת האנרגיה המשולב של המיקרו-בקר RE01‏ מבית Renesas תומך ברצף הטעינה השלם, החל מהטעינה הראשונית ועד לדלדול. (מקור התמונה: Renesas)

כאשר אלמנט ייצור ההספק מחובר למיקרו-בקר, ה- EHC‏ נכנס למחזור הטעינה הראשוני. כאן, ה- EHC מאפשר להספק לזרום אל VCC_SU, תוך טעינת קבל האחסון עד שרמת המתח ב- VCC_SU עוברת את רמת מתח הסף הספציפית, VCC_SU_H. בשלב זה, ה- EHC משתמש בקבל האחסון כדי להתחיל לספק כוח לפס מתח המערכת, VCC. כאשר ה- VCC עולה מעל מתח הסף (VPOR), אות איפוס ההפעלה עובר לגבוה, משחרר את ההתקן מהאיפוס ובמקביל מעביר את ENOUT לגבוה, המציין כי אלמנט ייצור ההספק הוא פעיל.

לאחר שחרור איפוס ההפעלה, אוגר בקרת הטעינה VBAT_EHC של ה- EHC‏, VBATCTL, מוגדר כ- ‎11b‏, ומאפשר להתקן להתחיל את טעינת הסוללה המשנית. למעשה, במחזור זה ה- EHC מחליף לסרוגין את יציאת הטעינה שלו בין הסוללה המשנית לבין קבל האחסון כדי לשמור על הספקת מתח VCC בזמן שהסוללה נטענת. כאשר מתח קבל האחסון יורד מתחת לרמת מתח סף נמוכה יותר, VCC_SU_L, ה- EHC מעביר את ההספק ל- VCC_SU עד שהוא מגיע לסף העליון VCC_SU_H, ובנקודה זו הוא ממשיך לטעון את הסוללה המשנית. תהליך זה נמשך עד שמתח סוללת האחסון על VBAT_EHC מגיע לסף VBAT‏, VBAT_CHG (איור 6).

איור 6‏: אפילו אחרי שבקר קצירת האנרגיה (EHC‏) המשולב של המיקרו-בקר RE01‏ מבית Renesas מתחיל לטעון את סוללת ההתקן, ה- EHC‏ ממשיך לשמור על טעינת קבל האחסון, המספק את מתח המערכת VCC עד שהסוללה נטענת במלואה. (מקור התמונה: Renesas)

לאחר שהסוללה נטענת, ביט QUICKMODE מתחלף וגורם ל- EHC‏ לעבור למצב פעולה יציב. במצב זה ה- EHC ממשיך לטעון את הסוללה מאלמנט ייצור ההספק, ובו-זמנית לספק כוח מהסוללה לפס מתח VCC.

אם אנרגיית הסביבה נופלת ואלמנט ייצור ההספק מפסיק לספק כוח, ה- EHC ממשיך לספק VCC מהסוללה. בסופו של דבר, ניטור המתח הפנימי יגלה שה- VBAT_EHC ירד מתחת לסף המוגדר-מראש, _det1‏V‏, וביט QUICKMODE יתחלף לאפס. ברגע שביט זה יתחלף לאחד, ההספק לפס מתח VCC ינותק ואוגרי ה- EHC‏ יאותחלו. ירידה נוספת של ה- VCC מתחת ל- _POR‏V‏ גורמת להתקן לאפס את אות איפוס ההפעלה. כדי לחדש את פעולתו, על ההתקן לבצע את רצף הטעינה הראשוני לאחר שאנרגיית הסביבה עלתה לרמות מספיקות.

ערכת הערכה מסייעת לבניית מהירה של האב-טיפוס

בעוד שה- EHC המובנה של RE01 חוסך את הצורך ברכיבים נוספים, כדי לנצל את המאפיינים שלו המפתחים עדיין צריכים להגדיר את תצורת ההתקן ולבצע את סדרת הפעולות שתוארה לעיל. כדי לעזור למפתחים לעבור מהר לבנייה מהירה של אב-טיפוס ולפיתוח מותאם-במיוחד עם משפחת RE01, חברת Renesas מספקת את ערכות ההערכה המוכנות-לשימוש RTK70E015DS00000BE‏ ו- RTK70E0118S00000BJ‏ עבור ה- RE01 1500KB ו- RE01 256KB, בהתאמה. למעשה, ערכת RE01 1500KB מציעה פלטפורמת פיתוח מקיפה הכוללת את לוח המיקרו-בקר RE01 1500KB (איור 7), לוח הרחבה LCD, פאנל סולארי וכבל USB. לצד המיקרו-בקר RE01‏ , לוח הפיתוח כולל סופר-קבל לאחסון, מחבר עבור סוללה נטענת חיצונית, מתגים, נורות LED, מנפה באגים על-הלוח ומספר מחברי ממשק, כולל פס-פינים Arduino Uno‏.

איור 7: ערכת ההערכה RE01 1500KB מבית Renesas כוללת לוח מיקרו-בקר RE01 1500KB עם מנפה באגים על-הלוח ומספר אפשרויות ממשק שנועדו לסייע בהערכה, בניית אב-טיפוס ופיתוח מותאם-במיוחד. (מקור התמונה: Renesas)

לצד פלטפורמת פיתוח החומרה המסופקת בערכת ההערכה, חברת Renesas מספקת מערך מקיף של חבילות תוכנה המתוכננות לפעולה תחת סביבות הפיתוח המשולבות (IDE‏) Embedded Workbench‏ מבית IAR Systems‏ או Studio IDE‏ ^2‏ מבית Renesas עצמה. בנויה על חבילת התוכנה Cortex Microcontroller Software Interface Standard‏ (CMSIS‏) מבית Arm‏, התוכנה משתמשת במבני תוכנה המוכרים למפתחי קוד עבור מעבדים מבוססי-Arm‏.

ואולי החשוב ביותר, הרוטינות לדוגמה בחבילות התוכנה מבית Renesas מספקות תבניות (Templates) ניתנות-להרצה עבור פיתוח תוכנה מותאמת-במיוחד. לדוגמה, מימוש רצף פעולת ה- EHC המוצג באיור 5 דורש סדרה נלווית של נוהלי אתחול הדרושים כדי להקטין למינימום את צריכת ההספק בשלבי המפתח כגון הטעינה הראשונית וטעינת הסוללה המשנית. רוטינת אתחול המסופקת עם התוכנה לדוגמה מדגימה כל אחד מנוהלי האתחול וההגדרה. ואפילו עוד יותר טוב, חברת Renesas מעניקה למפתחים נתיב ברור לשימוש ברוטינת אתחול זו כדי לשנות פרמטרים לפי הצורך ולהכניס קוד תוכנה משלהם לרצף האתחול (איור 8).

איור 8: הקוד לדוגמה עבור התחלת העבודה עם יכולות קצירת האנרגיה של המיקרו-בקר RE01, הכלול בתוכנת Renesas המופצת, מדגים כל שלב שנדרש תוך הדגשת היכן המפתחים יכולים לשנות פרמטרים או להוסיף קוד תוכנה משלהם. (מקור התמונה: Renesas)

באמצעות ערכת ההערכה מבית Renesas וחבילות תוכנה קשורות, המפתחים יכולים לבדוק במהירות אופני פעולה שונים של המיקרו-בקר RE01 ולהעריך שיטות קצירת אנרגיה שונות. לאחר מכן סביבה זו תספק פלטפורמה יעילה עבור בנייה מהירה של אב-טיפוס של יישומים ופיתוח מותאם-במיוחד משלהם.

סיכום

קצירת אנרגיה מציעה פיתרון יעיל להפחתת גודל הסוללה ולהארכת חיי הסוללה במערכות עם צריכת הספק נמוכה כדוגמת התקני IoT, אך הגישה יכולה להוסיף משמעותית לגודל, מורכבות ועלות הכוללים של התכנים. דרושה גישה משולבת יותר.

ארוזה במספר בלוקים וציוד היקפי פונקציונליים, משפחת המיקרו-בקרים מבית Renesas כוללת תת-מערכת קצירת אנרגיה שלמה על-השבב המייעלת ומפשטת את תכנון מערכת קצירת האנרגיה. עובדת עם לוחות פיתוח ותוכנות קשורים, המפתחים יכולים להעריך ולבנות במהירות אבות-טיפוס ותכנים מותאמים-במיוחד המסוגלים לנצל את מלוא היתרונות של קצירת אנרגיה באמצעות התקנים קטנים בעלות נמוכה.