Sähköhaaste etälähettimille

Taajuus Shift Keying (FSK) on edelleen työhevosen modulointijärjestelmä langatonta viestintää varten kauko- ja teollisuusympäristöissä, koska se kestää melua ja yksinkertaista täytäntöönpanoa. Perusesteenä ei kuitenkaan ole itse radiolinkki. Se on luotettava, jatkuva sähkönsyöttö. Akut ovat rajallinen elinikä, vaativat kalliita huoltomatkoja ja luovat ympäristöjätettä. Energiankorjuu, ympäristön energialähteiden talteenotto ja muuntaminen käyttökelpoiseksi sähköksi tarjoaa kestävän tien eteenpäin. Tässä artikkelissa tarkastellaan keskeisiä tekniikoita, käytännön näkökohtia ja uusia innovaatioita, joiden avulla FSK-transsetit voivat toimia loputtomiin kaikkein eristyksissä.

Langattomien solmukkeiden energiantalteenoton keskeiset periaatteet

FSK-lähettimen energiantalteenottojärjestelmä koostuu tyypillisesti muuntimesta (solaarikenno, pietsosähköinen elementti, lämpösähkömoduuli tai RF rectenna), virranhallintapiiristä (mukaan lukien enimmäistehopisteen seuranta ja jännitteen säätö) ja energian varastointipuskurista (kapasitaattori tai ladattava akku). Keskimääräinen korjattu teho on ylitettävä siirtolaitteen keskimääräinen kulutus samalla kun otetaan huomioon siirto- ja vastaanottokäyttöjakso. Tyypillisten matalatehoisten FSK-moduulien, jotka toimivat GHz-taajuuksilla, joutokäyntivirrat voivat olla jopa 1....10 μA, jolloin ne ovat kannattavia hakijoita sadonkorjuun tekemiseen jopa suhteellisen heikoista ympäristölähteistä.

Aurinkoenergian talteenotto

Valovoltaiset (PV) paneelit ovat kehittynein ja tehokkain ulkokäyttöönottotekniikka. Pieni 5 cm × 5 cm monikiteinen aurinkokenno voi tuottaa 50.100 mW täydessä auringonvalossa, mikä ylittää huomattavasti useimpien FSK-lähettimien tarpeet. Keskeisiä näkökohtia ovat paneelien suuntaaminen, osittainen varjostus ja superkapasitin tai akun tarve ajaa läpi yöajan ja pilvisen ajan. Suurin tehopisteseuranta (MPPT) -algoritmit, joko analogiset tai digitaaliset, optimoivat energian uuttamisen vaihtelevalla säteilyllä. Sisä- tai varjostusympäristöissä, amorfinen pii tai väriaine-sensisoidut aurinkokennot voivat toimia matalalla valolla mutta tuottaa pienemmän tehon .

Vibrationaalinen energiantalteenotto

Mekaanista tärinää on runsaasti monissa syrjäisissä ympäristöissä tuulitorneissa tapahtuneista värähtelyistä teollisuuslaitosten koneisiin.

  • Pietsosähköiset harvesterit[ ... ...................................................................................................................................................................................................................................
  • Sähkömagneettiset harvesterit[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Tribosähköiset nanogeneraattorit (TENG)[ ... ................................................................................................................................................................................................................................

Hybridilähestymisissä yhdistyvät pietsosähköiset ja sähkömagneettiset elementit, joilla laajennetaan tehokasta taajuuskaistaa. FSK-lähettimien, jotka lähettävät säännöllisesti (esim. anturitiedot muutaman minuutin välein), voidaan tallentaa ja käyttää lyhyenä palaneena palaneena värähtelyenergiana siirtosykliin. Tutkimus tärinäohjautuvista langattomista sensorin solmuista[ osoittaa, että optimoidulla harvesteri-lähetin-yhteissuunnittelulla voidaan saavuttaa itsekätinen toiminta jopa käsi-käsi-tärinällä.

Lämpöenergian talteenotto

Lämpösähkögeneraattorit (TEG) käyttävät Seebeckin vaikutusta muuntaakseen laitteen lämpötilaeron (ΔT) sähkövoimaksi. Ympäristöissä, joissa on lämmönlähteitä. Esimerkiksi teollisuusputket, geoterminen tuuletusaukko tai jopa kontrasti maan ja ilman välillä.TEGit voivat tuottaa tasaista ja ennustettavissa olevaa tehoa. Pienessä TEG-moduulissa (esim. 30 mm × 30 mm) ΔT 10.20 °C:n lämpötilassa lähtö voi saavuttaa 10.50 mW. Matala jännite (tyypillisesti [<1 V) requires a boost converter to reach the 3–5 V needed by common FSK transceivers. Power management ICs like the LTC3108 are designed specifically for TEG and thermopile sources. Thermal harvesting is especially valuable for ]) voi olla tasainen ja ennustettavissa.

Radiotaajuus (RF) Energiantalteenotto

Ympäristöissä, joissa radiosignaaleja on jo olemassa (lähetystornit, Wi-Fi, solut), ympäristön RF-energia voidaan pyyhkäistä pois korjaavalla antennilla (rectenna). Vaikka tehotiheys on erittäin alhainen .Tyypillisesti 0,1...10 μW/cm2... Ne voivat silti riittää erittäin pienitehoisille FSK-vastaanottimille, joissa on työkäyttöinen langaton liitäntä. Tasasuuntaajadiodin (usein Schottky diodi) antennin impedanssin yhteensovittaminen on tärkeää. Monikaistareunus voi kuitenkin olla yhtä aikaa monilta taajuuskaistoilta (esim. 900 MHz GSM ja 2,4 GHz Wi-Fi). Omistettuja RF-virtalähteitä, kuten lähetintä, voidaan käyttää myös langattomaan voimansiirtoon.

Virranhallinta ja -varastointi

Korjuulähteestä riippumatta ympäristön energian vaihteleva ja jaksottainen luonne edellyttää älykästä voimanhallintaa. Tyypillinen arkkitehtuuri sisältää:

  • Rektori/AC-DC muunnin .
  • DC-DC-tehon/pakonmuuntimen[ . . ...
  • Energiapuskuri[ ... ........................................................................................................................................................................................................................................
  • Hyvä pyöräily[ ... Lähetinmikroohjain voidaan ohjelmoida heräämään vain, kun riittävästi energiaa on kertynyt. Yksinkertainen vertailulaite valvoo puskurijännitteen ja mahdollistaa radion vain kynnyksen yläpuolella.

Edistyneet virranhallinnan ICs kuten BQ2557 (Texas Instruments) integroida boost lataus, MPPT, ja lähdön sääntely pieni paketti, yksinkertaistamalla suunnittelua itsetoimivien FSK solmuja.

Hybridi- ja monilähdejärjestelmät

Yksikään yksittäinen sadonkorjuulähde ei ole yleisesti luotettava. Kahden tai useamman täydentävän lähteen yhdistäminen lisää merkittävästi luotettavuutta.

  • Solar + tärinä[ . Solar tarjoaa päivätehoa; tuulivoimasta johtuva tärinä (tai pieni turbiini) antaa yö-/pilvitehoa.
  • Termal + RF[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Solar + TEG[ ... hybridipaneeli, joka yhdistää PV-kennoja huipulle ja TEG-moduulit selkään, ottaa talteen sekä auringonvalon että hukkalämmön.

Monilähdesavukkeenkorjaimet vaativat OR-inserttipiirin, joka yhdistää lähdöt ilman takavirtaa, usein käyttäen ihanteellisia diodeja tai erityisiä virta multipleksereita. Energianhallinnan ohjaimen on sovittava lähteiden välillä saatavuuden ja tehokkuuden perusteella. Useat kaupalliset moduulit, kuten Advantic EDE004[], tarjoavat konfiguroituja syöttöjä useille korjuuantuureille.

Tapaustutkimukset ja reaalimaailman käyttöönotto

Useat tutkimusryhmät ja yritykset ovat onnistuneet osoittamaan energialla korjattuja FSK-lähettimiä:

  • Maaperän seuranta [ . ... FSK-radioiden verkosto syrjäisessä viinitarhassa, jossa käytettiin aurinkokeräysjärjestelmää (2W monikiteinen paneeli) ja 10 F:n superkapasitaattoria, joka välittää maaperän kosteustietoja 15 minuutin välein. Järjestelmää käytettiin yli kahden vuoden ajan ilman pariston vaihtoa.
  • Silloilla suoritettavan rakenteellisen terveysvalvonnan [ ... ...................................................................................................................................................................................................................................
  • Wildlife tracking bancers[] ... ...............................................................................................................................................................................................................................

Nämä esimerkit korostavat, että huolellisella järjestelmätasolla on mahdollista sovittaa harvesterikoko, varastointikapasiteetti ja siirtokäyttöjakso tiettyyn ympäristöön.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Edistymisestä huolimatta on vielä useita esteitä, ennen kuin energiasaastuneista FSK-lähettimistä tulee todella kaikkialla läsnä olevia:

  • Hieno ja vaihteleva teho[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Storage tehottomuus ... Superkondensaattoreiden energiatiheys on alhainen (<10 Wh/kg) ja itsepurkaminen on suuri (enintään 20% kuukaudessa). Akut tarjoavat enemmän säilytystilaa, mutta rajoitetun syklin eliniän ja herkkyyden äärimmäisille lämpötiloille.
  • Ympäristön kestävyys[ . . Sadonkorjuukoneiden on kestettävä pölyä, kosteutta, lämpötilavaihteluja ja fyysisiä vaikutuksia. Kapselointi ja pakkaus eivät ole triviaaleja pitkän aikavälin käyttöönotoissa.
  • Standardointi ja yhteentoimivuus[ . Useimmat korjuumoduulit ja FSK-lähettimet ovat omistusoikeudellisia.

Tulevaisuuden tutkimuksessa keskitytään [-adaptiiviseen voimanhallintaan[] käyttäen koneoppimista energian saatavuuden ennustamiseksi ja työvuorojen mukauttamiseksi vastaavasti. [Monitaajuus-FSK-transseiverit[], jotka voivat muuttaa dynaamisesti kantoaaltotaajuutta vastaamaan tehokkainta RF-korjuukaista, tutkitaan. Myös tulostettu ja joustava elektroniikka[, voisi mahdollistaa halpojen, muoto-asennettujen korjuukoneiden, jotka kietoutuvat koneiden tai rakenteiden ympärille ja jotka kaappaavat energiaa aiemmin saavuttamattomilta pinnoilta.

Päätelmät

Energiantalteenotto tarjoaa toimivan reitin FSK-lähettimien viritykseen kauko-olosuhteissa, vapauttaen ne akkujen ja langallisen tehon rajoituksista. Aurinko-, tärinä-, lämpö- ja RF-lähteiden avulla usein yhdessä. Järjestelmäsuunnittelijat voivat luoda langattomia viestintäsolmuja, jotka toimivat itsenäisesti vuosia. Jatkuva edistyminen sähkönhallinnassa, varastoinnissa ja materiaaleissa vähentää edelleen kustannuksia ja laajentaa käyttöönottoa kaikkein haastavimpiin ekosysteemeihin. Jos joku rakentaa kaukokartoitusverkkoja, teollisia IoT-järjestelmiä tai ympäristöseurantajärjestelmiä, investoiminen energiantalteenottotekniikoihin FSK-viestintää varten ei ole vain vaihtoehto.