چالش قدرت برای فرار از راه دور FSK Transceivers

Shift Keying (FSK) همچنان یک طرح تنظیم کننده کار اسب برای ارتباطات بی سیم در محیط های دور و صنعتی به دلیل انعطاف پذیری آن برای سر و صدا و پیاده سازی ساده است، با این حال، مانع اساسی خود اتصال رادیویی نیست - این قابل اعتماد، مستمر از انرژی الکتریکی است که عمر محدود، نیاز به سفرهای تعمیر و نگهداری گران و ایجاد زباله های زیست محیطی است.

اصول اصلی برداشت انرژی برای گره های بی سیم

یک سیستم برداشت انرژی برای یک ترانس گیرنده FSK معمولا شامل یک مبدل (سلول های خورشیدی، عنصر پازوالکتریک، ماژول تر الکتریک یا RF Retenna)، یک مدار مدیریت برق (از جمله حداکثر ردیابی نقطه قدرت و تنظیم ولتاژ) و ذخیره سازی انرژی ( خازن یا باتری قابل شارژ) است. قدرت برداشت متوسط باید از مصرف متوسط ترانس است در حالی که عملیات برای آنها به عنوان بخش های انتقال پایین است.

برداشت انرژی خورشیدی

پانل های فتوvoltaic (PV) بالغ ترین و قدرت مندترین تکنولوژی برداشت برای استقرار در فضای باز هستند.یک سلول خورشیدی کوچک 5 سانتی متر 5× 5 سانتی متر می تواند 50 تا 100 mW را در نور خورشید کامل تولید کند، بسیار فراتر از نیازهای اکثر FSK Transceivers کلید شامل جهت گیری پانل، سایه و نیاز به یک ابرخودرو یا سیستم های ردیابی نور غیر قابل مشاهده در داخل و یا سیستم های ردیابی نور غیر قابل مشاهده نور (به مراتب کمتر از طریق شب، به طور دقیق نور غیر قابل مشاهده شده در حال حاضر می تواند نشان دهد.

برداشت انرژی ارتعاشی

ارتعاشات مکانیکی در بسیاری از محیط های دور از راه دور فراوان هستند - از نوسانات ناشی از باد در برج ها تا ماشین آلات در تاسیسات صنعتی استفاده می شود.

  • برداشت کنندگان الکتریکی - هر پرتو با لایه های سرامیکی یا پلیمری پازوالکتریک ولتاژ تولید می کنند هنگامی که فرکانس های مکانیکی به طور معمول از ده ها تا صدها هرتز قدرت خروجی از میکرووات به میلی وات متفاوت است بسته به لرزش و فرکانس.
  • برداشت کنندگان الکترو مغناطیسی - مغناطیسی متحرک در داخل کویل باعث جریان می شود، این قوی اما بزرگتر، مناسب برای ارتعاشات کم فرکانس (1-50 هرتز) است.
  • نانو ژنراتورهای سهبوالکتریک (TENGs) - بر اساس انتخاب تماس و القاء الکترواستاتیک، TENGها می توانند از حرکات بسیار کم فرکانس (حرکت انسان، باد آهسته) برداشت کنند.

روش های ترکیبی ترکیب عناصر پازوالکتریک و الکترومغناطیسی برای گسترش پهنای باند فرکانس موثر. [ FSK Transceivers که به صورت دوره ای انتقال می یابند (به عنوان مثال، داده های سنسور هر چند دقیقه)، یک انفجار کوتاه از انرژی ارتعاشی برداشت شده می تواند ذخیره و استفاده شود برای چرخه انتقال سلاح. تحقیق در مورد گره های سنسور بی سیم ارتعاشی]

برداشت انرژی حرارتی

ژنراتورهای ترموالکتریک (TEGs) از اثر Seeبک برای تبدیل تفاوت دما (ΔT) در سراسر دستگاه به برق الکتریکی بهره برداری می کنند.در محیط هایی با منابع حرارتی - مانند لوله های صنعتی، خروجی های زمین گرمایی، یا حتی کنتراست بین خاک و هوا - LT ها می توانند قدرت ثابت، قابل پیش بینی را برای یک ماژول کوچک TEG (به عنوان مثال، 30 میلی متر) با ولتاژ پایین (F0) فراهم کنند.

فرکانس رادیویی (RF) برداشت انرژی

در محیط هایی که سیگنال های رادیویی در حال حاضر وجود دارند (برج های پرتاب، Wi-Fi، سلول)، انرژی RF محیط زیست می تواند با استفاده از آنتن اصلاح شده (rectenna) به طور معمول پایین باشد - به طور معمول 0 تا 10 μW / cm2 - آنها هنوز هم می توانند برای گیرنده های فوق العاده کم انرژی FSK با عملکرد اختصاصی استفاده از زیرساخت های ذخیره سازی شده به طور همزمان استفاده کنند (در صورت خودکار).

مدیریت قدرت و ذخیره سازی

صرف نظر از منبع برداشت، طبیعت نوسان و متناوب انرژی محیطی نیاز به مدیریت هوشمند قدرت دارد.

  • مبدل Rectifier / AC-DC [FLT 1] - برای منابع ارتعاشی، حرارتی یا RF که سیگنال های AC یا نامنظم تولید می کنند.
  • ] DC-DC افزایش / مبدل بک - تنظیم ولتاژ برداشت شده به ولتاژ عرضه ترانس گیرنده (به عنوان مثال، 3.3V) در حالی که ردیابی حداکثر نقطه قدرت.
  • بافر انرژی - خازن سرامیک، سوپر خازن، یا باتری نازک فیلم انرژی را برای بارهای اوج در طول انتقال ذخیره می کند (که ممکن است 10 تا 100 میلی آمپر برای 10 تا 50 میلی متر مصرف کند). سوپر خازن برای چرخه طولانی خود ترجیح می دهد، در حالی که باتری های Li-ion انرژی بیشتری برای مدت طولانی یا دوره های آرام فراهم می کنند.
  • دوچرخه سواری - میکروکنترلر ترانس می تواند برنامه ریزی شود تا تنها زمانی که انرژی کافی انباشته شده است، بیدار شود.

مدیریت پیشرفته قدرت IC ها مانند BQ25570 (Texas Instruments) ادغام افزایش شارژ، MPPT و مقررات خروجی در یک بسته کوچک، ساده سازی طراحی گره های FSK خود را.

سیستم های هیبریدی و چند منبع

هیچ منبع برداشت منفرد به طور جهانی قابل اعتماد نیست، ترکیب دو یا چند منبع مکمل به طور چشمگیری افزایش استحکامات مشترک ترکیبی شامل:

  • ، انرژی روزانه را فراهم می کند؛ ارتعاشات ناشی از باد (یا توربین کوچک) قدرت شب / ابر را فراهم می کند.
  • - در تنظیمات صنعتی، لوله گرم (ترمال) همراه با Wi-Fi محیط یا سیگنال های سلولی (RF) می تواند نقاط استقرار متنوع را پوشش دهد.
  • ]Solar + TEG - یک پانل هیبریدی که سلول های PV را در ماژول های برتر و TEG در پشت ادغام می کند، هر دو نور خورشید و گرمای زباله را جذب می کند.

برداشت چند منبع نیاز به یک مدار OR-ing برای ترکیب خروجی بدون گردش عقب، اغلب با استفاده از دیود ایده آل یا چندینکس برق اختصاص داده شده است.کنترل کننده مدیریت انرژی باید بین منابع بر اساس دسترسی و بهره وری چند ماژول تجاری مانند Advantic EHE004 داوری کند، ارائه ورودی های قابل تنظیم برای چندین مبدل برداشت.

مطالعات موردی و اجرای واقعی در دنیای واقعی

چندین گروه تحقیقاتی و شرکت ها با موفقیت نشان داده اند که انتقال دهنده های انرژی زا FSK در این زمینه:

  • نظارت بر خاک کشاورزی - شبکه ای از رادیوهای FSK در یک دور از راه دور استفاده از برداشت خورشیدی (2W پانل پلی کریستالی) و یک 10 سوپر خازن F برای انتقال داده های رطوبت خاک هر 15 دقیقه. سیستم برای بیش از دو سال بدون جایگزینی باتری عمل می کند.
  • نظارت بر سلامت ساختاری بر پل - برداشت کنندگان Piezoالکتریک متصل به کابل پل (شبرات از ترافیک و باد) سنسورهای فشار FSK را تغذیه کرد. خروجی متوسط 1.2 مترW بود، کافی برای انفجار داده های ساعتی.
  • گردنبند ردیابی حیات وحش - یک برداشت حرارتی سبک با استفاده از تفاوت دما بین بدن و هوای محیط (ΔT 1234 5-10 ° C) شارژ یک باتری Li-Po است که با استفاده از یک GPS مبتنی بر FSK تست های میدانی بر گاو در عمل مداوم برای شش ماه نشان داد.

این مثال ها تأکید می کنند که با طراحی دقیق سیستم-سطحی- اندازه برداشت کننده، ظرفیت ذخیره سازی و چرخه وظیفه ترانس اکتشافی به محیط خاص- عملیات خود-خود-قابل دستیابی است.

چالش ها و مسیرهای آینده

علی رغم پیشرفت، چندین مانع قبل از اینکه انرژی های تخلیه شده FSK به طور واقعی در همه جا قرار بگیرند باقی می مانند:

  • خروجی برق کم و متغیر - بسیاری از منابع برداشت تنها میکرووات را تحویل می دهند، خواستار معماری های رادیویی فوق العاده کم قدرت هستند. زیر 1 μA در حال حاضر رایج هستند، اما انفجار فرستنده هنوز هم می تواند ذخیره سازی را به سرعت تخلیه کند.
  • storage infit – Supercapacitortortortortortors دارای چگالی انرژی پایین (<10 Wh/kg) و بالا خود- ⁇ (تا 20٪ در ماه) هستند.
  • عدم ثبات [FLT 1] - برداشت کنندگان باید در برابر گرد و غبار، رطوبت، نوسانات دما و اثرات فیزیکی مقاومت کنند.
  • استاندارد سازی و همکاری [FLT 1] - اکثر ماژول های برداشت و FSK ترانسفران اختصاصی هستند.

تحقیقات آینده بر روی مدیریت قدرت سازگار (FLT:0) با استفاده از یادگیری ماشین برای پیش بینی دسترسی به انرژی و تنظیم چرخه های وظیفه بر اساس آن تمرکز می کند. چند فرکانسی FSK ترانس گیرنده ها [FLT3] که قبلاً می توانند فرکانس حامل را به طور پویا تغییر دهند تا با کارآمدترین باند برداشت RF نیز مورد بررسی قرار گیرند.

نتیجه گیری

برداشت انرژی یک مسیر قابل دوام برای قدرت گرفتن FSK ترانس گیرنده در محیط های دور فراهم می کند، آزاد کردن آنها از محدودیت های باتری و قدرت سیمی.با استفاده از منابع خورشیدی، ارتعاشی، حرارتی و RF - اغلب در ترکیب - طراحان سیستم می توانند گره های ارتباطی بی سیم ایجاد کنند که به طور خودکار برای سال ها کار می کنند.ادامه در مدیریت برق، ذخیره سازی و مواد بیشتر هزینه های لازم برای به چالش کشیدن سیستم های پیکربندی زیست محیطی یا استفاده از راه دور است.