Power Fsk 트랜시버에 에너지 수확 기술을 개발

원격 FSK 트랜시버에 대한 전력 도전

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무선 노드에 대한 에너지 수확의 핵심 원칙

FSK 트랜시버에 대 한 에너지 수확 시스템은 일반적으로 트랜스 (태양 전지, 압전 요소, 열전 모듈, 또는 RF 레테나), 전력 관리 회로 (최대 전원 포인트 추적 및 전압 규칙 포함), 및 에너지 저장 버퍼 (전기 용량 또는 충전식 배터리)로 구성 됩니다. 평균 수확 전력은 전송 및 리셉션의 의무 주기를 고려 하는 동안 트랜시버의 평균 소비를 초과 해야 합니다. 일반적으로 낮은 전원 FSK 모듈에 대 한 작동 하 여 낮은-전력 대역, 즉, 낮은-전력 대역에 대 한, 낮은-전력 대역을 위해, 낮은-전력 대역을 위해, 낮은-전력 대역을 만들 수 있습니다.

태양 에너지 Harvesting

광전지 (PV) 패널은 야외 배포를위한 가장 성숙한 및 동력 밀도 수확 기술입니다. 작은 5cm × 5cm 폴리 크리스탈 태양 전지는 최대 FSK 트랜시버의 요구를 초과하는 햇빛에서 50-100mW를 생산할 수 있습니다. 주요 고려 사항은 패널 방향, 부분 쉐이딩 및 야간 및 흐림 기간을 통해 승차 할 수 있습니다. 최대 전력 점 추적 (MPPT) 알고리즘, 아날로그 또는 광전지 (Secure-Firity-Fir-Fir-FirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFirFurFirFirFurF

진동 에너지 Harvesting

기계 진동은 많은 원격 환경에서 풍부합니다. 풍력 발생 시에는 산업 시설에서 기계에 이르기까지 다양한 산업 설비가 있습니다. 3 가지 주요 감속 메커니즘은 다음과 같습니다.

Piezoelectric 수확기 – 세라믹 또는 폴리머 압전 레이어를 가진 Cantilever 광속은 기계적으로 변형될 때 전압을 생성합니다. 공명 주파수는 일반적으로 10s에서 수백 Hz에 배열합니다. 출력 전력은 진동 진폭 및 주파수 일치에 따라 마이크로 와트에서 밀리와트에 변화합니다.
전자기 수확기 – 코일 내부의 이동 자석은 현재를 유도합니다. 이들은 강력하지만 더 큰, 저주파 진동 (1–50 Hz)에 적합.
Triboelectric nanogenerators (TENGs) - 접촉 electrification 및 정전기 유도에 근거하여, TENGs는 아주 저주파 운동 (human 동의, 느린 바람)에서 수확할 수 있습니다. 최근의 진보는 몇몇 milliwatts에 산출을, 비록 그들의 높은 임피던스는 주의깊은 힘 조절이 요구합니다.

하이브리드 접근은 압전 및 전자기 요소를 효과적인 주파수 대역폭을 확장합니다. FSK 트랜시버는 주기적으로 전달하는 FSK 트랜시버 (예를들면 센서 데이터 매 분마다), 수확 된 진동 에너지의 짧은 파열은 전송 사이클에 저장 및 사용 될 수 있습니다. 진동 구동 무선 센서 노드에 대한 검색] 최적화 된 수확기 전달자 공동 설계는 자체 유지 작동을 달성 할 수 있음을 보여줍니다.

열 에너지 수확

열전 발전기 (TEGs)는 장치에서 전기 힘으로 온도 다름 (ΔT)를 개조하기 위하여 Seebeck 효력을 이용합니다. 산업 관과 같은 열원과 같은 환경에서, geothermal 환풍은, 또는 토양과 공기 사이 대조를 공급할 수 있습니다 - TEGs는, 예측 가능한 힘 공급할 수 있습니다. 작은 TEG 단위 (예를들면, 30 mm × 30 mm)를 10-20°C의 ΔT로, 산출 10-50 mW를 도달할 수 있습니다. 낮은 전압 (일반적으로: [F] 태양 울안은, 태양 울안에서 유효할지도 모릅니다. [F]는 (F2]에서 유효한 태양 울안을 감시할지도 모릅니다.

고주파 (RF) 에너지 수확

무선 신호가 이미 존재하는 환경 (방송 타워, Wi-Fi, 셀룰러), 주변 RF 에너지는 재조정 안테나 (rectenna)를 사용하여 사기질 수 있습니다. 그러나 힘 밀도는 매우 낮다. 0.1–10 μW/cm2-they는 여전히 비싸지 않는 작업과 매우 저하력 FSK 수신기에 충분할 수 있습니다. 정류기 다이오드 (Sensor 다이오드)에 안테나 임피던스를 일치하면 (Sensor RF)는 거의 모든 주파수 영역에서 사용 가능한 주파수 영역에서 매우 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그러나, 무선 신호는 거의 모든 주파수 영역에서 사용되지 않습니다.

전력 관리 및 저장

수확 소스에 관계없이, 주위 에너지 수요의 변동 및 간헐적 인 성격 지능적인 힘 관리. 전형적인 건축에는 다음과 같습니다 :

Rectifier/AC-DC converter - AC 또는 불규칙한 신호를 생성하는 진동, 열 또는 RF 소스를 위해.
DC-DC 부스트 / buck 컨버터] – 최대 전력 포인트를 추적하면서 트랜시버의 공급 전압 (예 : 3.3V)에 수확 된 전압을 규제합니다.
Energy buffer – 세라믹 커패시터, 슈퍼 커패시터, 또는 얇은 필름 배터리는 10-50ms의 10-100mA를 소비 할 수있는 전송 중 피크 부하에 대한 에너지 절약을 제공합니다. Supercapacitors는 긴 사이클 수명을 선호하며 Li-ion 배터리는 더 어두운 또는 평온한 기간 동안 더 높은 에너지 밀도를 제공합니다.
Duty Bicycle – 트랜시버 마이크로 컨트롤러는 충분한 에너지가 축적되었을 때만 깨어날 수 있습니다. 간단한 컴퍼레이터는 버퍼 전압을 모니터링하고 임계값 위에 라디오를 활성화합니다.

BQ25570 (Texas Instruments)와 같은 고급 전원 관리 IC는 소형 패키지의 부스트 충전, MPPT 및 출력 규정을 통합하여 자체 전원 FSK 노드의 디자인을 단순화합니다.

하이브리드 및 멀티 소스 시스템

단일 수확 소스는 보편적으로 신뢰할 수 있습니다. 2 개 이상의 보완 소스를 극적으로 증가시키는 것은 견고합니다. 일반적인 하이브리드 구성에는 다음과 같습니다.

솔레어 + 진동 – 태양은 주간 전력을 제공합니다; 풍력 유도 진동 (또는 작은 터빈)은 밤 / 흐림 힘을 제공합니다.
Thermal + RF – 산업 설정에서, 주위 Wi-Fi 또는 셀룰러 신호와 결합된 따뜻한 파이프 (열) 다양한 배포 명소를 커버할 수 있습니다.
솔레어 + TEG – 뒤로의 PV 셀과 TEG 모듈을 통합하는 하이브리드 패널은 햇빛과 폐열을 모두 캡처합니다.

Multi-source 수확기는 이상적인 다이오드 또는 전용 전원 다중화기를 사용하여 백 플로우 없이 출력을 결합하기 위하여 OR-ing 회로를 요구합니다. 에너지 관리 관제사는 가용성과 효율성을 근거를 둔 근원 사이에서 arbitrate 해야 합니다. 몇몇 상업적인 단위는 ADvantic EHE004]와 같은 다수 수확 변형기를 위한 configurable 입력을 제안합니다.

사례 연구 및 실제 개발

몇몇 연구 그룹 및 회사는 성공적으로 분야에 있는 에너지 수확 힘 FSK 송수신기를 시연했습니다:

Agricultural 토양 모니터링 – 원격 포도원에 있는 FSK 라디오의 네트워크는 태양 수확 (2W 다결정 패널) 및 10 F supercapacitor를 사용하여 토양 습기 데이터를 매 15 분 전달합니다. 건전지 보충 없이 2 년간 운영되는 체계.
교량에 대한 구조적 건강 모니터링] – 교량 케이블에 부착된 압전 수확기 (교통 및 바람에서 진동) FSK 변형 센서. 평균 출력은 1.2 mW, 시간당 데이터 파열에 충분했습니다.
Wildlife 추적 칼라 – 동물의 몸과 주위 공기 (ΔT ≈ 5-10 °C) 사이의 온도 차이를 사용하여 경량 열 수확기 FSK 기반 GPS 비콘을 구동하는 Li-Po 배터리를 충전. 나미비아의 가축에 필드 테스트는 6 개월 동안 연속 작동을 보여.

이러한 예제는 주의적인 시스템 수준의 설계로 인해 수확기 크기, 저장 용량 및 특정 환경에 대한 트랜시버 의무 주기를 자체 유지 작업이 달성 될 수 있습니다.

도전과 미래 방향

진행에도 불구하고, 몇몇 장애물은 에너지 수확 FSK 송수신기가 진짜로 ubiquitous가되기 전에 남아 있습니다:

낮은 가변 출력 – 많은 수확 소스는 마이크로와이어, 수요가 매우 낮은 전력 라디오 아키텍처를 제공합니다. Sub-1 μA 수면 전류는 이제 일반적이지만, 송신기는 여전히 저장을 신속하게 배수 할 수 있습니다.
저장 불순 – Supercapacitors에는 낮은 에너지 밀도 (<10 Wh/kg) 및 높은 자체 방전 (최대 20% 달 당)가 있습니다. 건전지는 저장 그러나 온도 극에 한정된 주기 생활 및 감도를 제안합니다.
환경의 견고 – 수확기는 먼지, 습기, 온도 스윙, 물리적 충격을 견딜 수 있어야 합니다. 캡슐화 및 포장은 장기적인 배포를 위해 비 트리 바이알 남아 있습니다.
Standardization and interoperability – 대부분의 수확 모듈과 FSK 트랜시버는 독점입니다. 개방형 파워 인터페이스 표준은 통합을 가속화 할 것입니다.

미래 연구는 ]에 초점을 맞추고 에너지 가용성을 예측하기 위해 기계 학습을 사용하여 전력을 예측하고 의무 주기를 조정합니다. ]Multi-frequency FSK 송수신기]는 가장 효율적인 RF 수확 밴드와 일치하도록 역동적으로 변화할 수 있는 가장 효율적인 RF 급류 밴드가 탐구되고 있습니다. 또한, printed andaccess flexible Electronics는, 이전에는 기계의 구조 또는 구조에서 낮은 형태를 가능하게 할 수 있었습니다.

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에너지 수확은 원격 환경에서 FSK 트랜시버를 전원 공급하는 바이블 경로로 제공되며 배터리 및 유선 전력의 제한으로 자유롭게 사용할 수 있습니다. 태양, 진동, 열 및 RF 소스를 활용하여 결합된 시스템 디자이너는 수년간 자율적으로 작동하는 무선 통신 노드를 만들 수 있습니다. 전력 관리, 스토리지 및 재료가 더 비용 절감되고 가장 도전적인 생태계로 배포를 확장할 수 있습니다. 원격 감지 네트워크 구축을 위해, 산업용 IoT, 환경 모니터링 시스템, 환경 모니터링 시스템의 환경 모니터링 솔루션은 FSK의 환경 모니터링에 대한 환경 모니터링 솔루션입니다.