遠隔環境におけるパワーマスクトランシーバへのエネルギー収穫技術の開発

リモートFSKトランシーバのパワーチャレンジ

周波数シフトキーイング(FSK)は、騒音と簡単な実装に対する弾性によるリモートおよび産業環境における無線通信のためのワークホースモジュレーションスキームを維持します。しかし、基本的な障害は、無線リンク自体ではありません。それは、信頼性の高い、電力の継続的な供給です。バッテリーは、限られた寿命を持ち、高価なメンテナンス旅行を必要とし、環境廃棄物を作成します。エネルギー収穫、周囲のエネルギー源のキャプチャと変換は、持続可能な電力に供給される。この記事は、FSKを隔離し、実用的な方法を有効にします。これにより、FSKは、既存の技術が、FSKを操作できる限りの重要な役割を果たします。

ワイヤレスノードのためのエネルギー収穫のコア原則

FSK トランシーバーのためのエネルギー収穫システムは、通常、トランスデューサ(太陽電池、圧電気要素、熱電モジュール、または RF のリケテンナ)、電力管理回路(最大電力ポイント追跡と電圧規制を含む)、エネルギー貯蔵バッファ(コンデンサーまたは充電式バッテリー)で構成されています。平均収穫電力は、伝送および受信のデューティサイクルを考慮しながら、トランシーバーの平均消費を上回る必要があります。サブGHz で動作する一般的な低電力 FSK モジュールのために、それらは、電流源として弱まることさえできる限り、それらが1〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10〜10

太陽エネルギー収穫

太陽光発電(PV)パネルは、屋外展開のための最も成熟したパワー密度の収穫技術です。小さな5 cm×5 cm多結晶太陽電池は、50〜100 mWをフル日光で生成し、ほとんどのFSKトランシーバーのニーズをはるかに超えることができます。主な検討には、パネルの向き、部分的なシェーディング、夜間および曇り期間を介したスーパーキャパシタまたはバッテリーの必要性があります。最大電力ポイントトラッキング(MPPT)アルゴリズム、アナログまたはデジタルまたはアナログまたはデジタルエネルギー抽出物のいずれかが、または低電圧の低電圧の低電圧を発揮します。

振動エネルギー収穫

機械振動は、タワーの風化による振動から、産業設備の機械まで、多くの遠隔環境で豊富です。 3つの第一次トランスミッション機構が使用されます。

圧電気の収穫機 - 機械的に歪んだとき、セラミックまたはポリマー圧電層を持つカンチレバービームは電圧を発生させます。共鳴周波数は、通常、10〜数百Hzの範囲です。出力電力は、振動振幅と周波数の一致に応じてマイクロワットからミリワットまで変化します。
電磁式ハーベスタ – コイル内の移動磁石が電流を通します。これらは、低周波振動(1〜50 Hz)に適した、強力でより大きいです。
[ 誘電性ナノジェネレータ(TENG)[] - 接触式および静電気誘導に基づいて、TENGは、非常に低周波運動(人の動き、遅い風)から収穫することができます。最近の進歩は、いくつかのミリワットに出力をプッシュしましたが、その高いインピーダンスは、慎重な電力調節を必要とします。

ハイブリッドアプローチは、圧電と電磁的要素を組み合わせて、効果的な周波数帯域幅を広げます。FSKトランシーバでは、定期的に送信(例えば、センサーデータ数分)、収穫された振動エネルギーの短破裂を格納し、伝送サイクルに使用することができます。[]]]]振動駆動式ワイヤレスセンサーノードの研究は、最適化された収穫機トランシーバーコリバ設計が、手腕の振動からでも自在な動作を達成することができることを示しています。

熱エネルギー収穫

熱電発生器(TEGs)は、シーベック効果を悪用し、デバイス全体で温度差(ΔT)を電力に変換します。工業用パイプ、地熱ベント、または土壌と空気の間のコントラストなど、熱源を持つ環境では、TEGは安定した予測可能な電力を供給することができます。小さなTEGモジュール(例えば、30 mm×30 mm)、10〜20°CのΔTで出力は10〜50 mWに達することができます。低電圧(LTF)[F]は、利用可能な場所[F]を[F]:[F]

無線周波数(RF)エネルギー収穫

無線信号が既に存在している環境(放送塔、Wi-Fi、細胞)では、周囲のRFエネルギーは、再整流アンテナ(rectenna)を使用して流路化することができます。電力密度は非常に低いですが、典型的な0.1〜10 μW / cm2は、まだ超低電力FSK受信機にデューティサイクルされた動作のために十分であることができます。アンテナインピーダンスをリクタイザーダイオード(多くの場合、Schtky-mod-rec)に合わせ、既存のRFバンドを駆動するだけでなく、既存のRFを駆動する場合には、無線信号を駆動する場合には、無線信号を駆動する必要がいくつかあります。

電力管理と貯蔵

収穫源に関係なく、周囲のエネルギーの変動と断続的な性質は、インテリジェントな電力管理を必要とします。典型的なアーキテクチャには、

[]整流器/AC-DCコンバーター[[ - ACまたは不規則な信号を生成する振動、熱、またはRFソース。
[DC-DCブースト/バックコンバータ[ - 最大の電力ポイントを追跡しながら、トランシーバーの供給電圧(例えば、3.3V)に収穫された電圧を調整します。
[]エネルギーバッファ] - セラミックコンデンサ、スーパーキャパシタ、または薄膜バッテリーは、伝送中にピーク負荷のためのエネルギーを蓄えています(10〜50ミリ秒で10〜100ミリアンペアを消費する)。リチウムイオン電池は、より長い暗いまたは穏やかな期間のためのより高いエネルギー密度を提供する一方で、スーパーキャパシタは、それらの長いサイクル寿命のために好まれています。
Dutycycl] - トランシーバーマイクロコントローラは、十分なエネルギーが蓄積されたときにのみ、ウェイクするようにプログラムすることができます。シンプルなコンパレータは、バッファ電圧を監視し、閾値よりもラジオを有効にします。

BQ25570(テキサス・インスツルメンツ)のような高度なパワー・マネジメントICは、高速充電、MPPT、および出力規制を統合し、セルフパワーのFSKノードの設計を簡素化します。

ハイブリッド・マルチソースシステム

単一の収穫源は、完全に信頼性がありません。 2つ以上の補完源を組み合わせることで、堅牢性が大幅に向上します。一般的なハイブリッド構成は次のとおりです。

Solar + 振動 - ソーラーは昼間の電力を提供します。風による振動(または小さなタービン)は、夜間/曇りの電力を提供します。
[]熱間+ RF] - 工業設定では、周囲のWi-Fiまたは細胞信号(RF)と組み合わせた暖かいパイプ(熱)は、多様な展開スポットをカバーします。
[]Solar + TEG[] - 背面の上部およびTEGモジュールにPVセルを統合するハイブリッドパネルは、日光と廃棄物の熱の両方をキャプチャします。

複数のソース収穫機は、理想的なダイオードや専用のパワーマルチプレクサを使用して、多くの場合、バックフローなしで出力を結合するためにOR-ING回路が必要です。エネルギー管理コントローラーは、可用性と効率に基づいてソース間で仲裁しなければなりません。 ]の高度なEHE004[のようないくつかの商用モジュール、複数の収穫トランスデューサのための構成可能な入力を提供します。

ケーススタディと現実世界展開

いくつかの研究グループと企業が、フィールドにエネルギー・ハーベスト・パワードFSKトランシーバーを実証しました。

農業土壌監視 - リモートブドウ園内のFSKラジオのネットワークは、太陽の収穫(2W多結晶パネル)と15分ごとに土壌水分データを送信する10 Fスーパーキャパシタを使用しました。バッテリー交換なしで2年以上にわたり動作するシステム。
橋梁の縦断衛生監視 – 橋梁ケーブル(交通・風からの振動)に取り付けられた圧電収穫機 FSK株センサー。平均出力は1.2mWで、時間単位のデータが破裂します。
] 動物体と周囲の空気(ΔT 5〜10°C)の間の温度差を用いた軽量な熱収穫機は、FSKベースのGPSビーコンを駆動するLi-Poバッテリーを充電しました。 Namibiaの牛のフィールドテストは6ヶ月間連続運転を示しています。

これらの例は、収穫機のサイズ、貯蔵容量、およびトランシーバーのデューティサイクルを特定の環境に合わせ、自己持続的な操作が達成可能であるという注意深いシステムレベルの設計とそれのアンダースコアです。

チャレンジと未来の方向性

進行中でも、FSKのエネルギーを収穫したトランシーバが本当にユビキタスになる前にいくつかのハードルが残っています。

[]低出力と可変出力] - 多くの収穫源は、超低電力の無線アーキテクチャを要求するマイクロワットだけを配信します。サブ-1 μA睡眠電流は一般的ですが、送信機の破裂はストレージをすぐに排出することができます。

ストレージの不効率 - スーパーキャパシタは低エネルギー密度(<10 Wh/kg)と高自己放電(最大20%/月)を持っています。バッテリーは、より多くのストレージを提供しますが、サイクル寿命と温度の極端な感度。

環境の険しい[] - 収穫機は、ほこり、湿気、温度の振り、および物理的な影響に耐える必要があります。カプセル化とパッケージングは、長期にわたる展開のために非トリバイアルのままです。

[]標準化と相互運用性[] - ほとんどの収穫モジュールとFSKトランシーバーは、独自です。開いた電力インターフェイス標準は、統合を加速します。

将来の研究は、機械学習を使用してエネルギーの可用性を予測し、それに応じてデューティサイクルを調整する[適応力管理[に焦点を当てています。 []]マルチ周波数FSKトランシーバー]]]は、最も効率的なRF収穫バンドに一致するために、輸送頻度を動的に変更することができます。また、 と柔軟な電子機器は、より低いエネルギーを充填することができます。

コンテンツ

省エネの収穫は、FSKトランシーバを遠隔環境に電力供給するための実行可能なルートを提供し、電池と有線電力の制限からそれらを解放します。太陽、振動、熱、RF のソースを活用することで、多くの場合、組み合わせて、システム設計者は、自律的に何年もの間作動する無線通信ノードを作成することができます。継続的に電力管理、ストレージ、および材料の進歩は、最も困難な生態系にコストを削減し、展開を拡大します。リモートセンシングネットワークを構築する人にとって、または、IoT またはエネルギー消費を監視する人にとっては、FSK は、単にエネルギーを消費するだけでなく、FSK システムを監視するだけでなく、FSK は、エネルギーを削減します。