Güneş destekli cihazlar için Enerji verimli gömülü sistemler geliştirmek

Küresel sürdürülebilirlik için küresel zorlama hızlandığında, enerji verimli gömülü sistemlerin güneş destekli cihazlar için gelişimi, kritik bir mühendislik disiplinine kadar niş araştırmadan taşındı. Bu sistemler, sayısız uzaktan, otonom uygulama - tarımsal zemin sensörleri ve vahşi yaşam takiplerinden, güç yönetimine kadar, hatta mekanik entegrasyon sistemlerine dayanan bir şekilde basit bir şekilde uygulanabilir: bu sistemler, doğrudan doğrulanmış bir enerji kaynağına sahip olmayan ve elektronik atıkların geri dönüşümüne olanak sağlar.

Güneş Enerjisi Edilmiş Sistemleri Anlamak

Güneşli bir gömülü sistem, hafif enerjileri fotovoltaik hücreler aracılığıyla hasat eden entegre bir montajdır, bir tamponda depolanır (tipik olarak bir batarya veya süper kapasiteye sahip), ve gömülü bir mikro kontrol cihazı kullanarak, işlenme ve iletişim görevleri yerine getirmeleri için.Aktif veya batarya-sadece sistemlerden farklı olarak, enerji bütçesi dinamiktir ve reradiance, panel yönelimi ve mevsimsel hava durumu ile sınırlıdır. Sistem geniş bir giriş güç seviyeleri arasında güvenilir bir şekilde çalışabilmelidir.

Mimari Bileşenler

Tipik mimari dört ana blok içerir: [[Üyetim:0) Ön uçlu [Dönetici:2) Enerji depolama[Dönetici 3 ), [[Dönetici: 3) Enerji birimine (PMU)[DÜye ait)[DÜyetim)[DÜye ait olan yük sistemleri ve gücü şarj etmek için güvenli seviyelere doğru yükleyen bir işlemdir.

Anahtar Toplayıcılar

Mühendisler güneş destekli gömülü sistemleri, toplam enerji çekilmesi gibi ölçümler kullanarak değerlendirmektedir:0) Enerji özerkliği[Dönetici: 1 ) (Sistemin ne kadar uzun süre rektör olmadan çalıştırılabilir) [enerji verimliliği[Dönetici 3 ), 20 metre, 20 milyonerlik bir okuma, 100-milli bir saniye boyunca, uykunun altına geri dönülebilir.

Tipik Uygulamaları Tipik Uygulamaları

• [FONT:0) Sonuç tarım: [Dönetici: [Döntgenme: 0,3] Toprak nemi, sıcaklık ve besbelli sensörleri geniş alanlarda dağıtılır, LoRaWAN aracılığıyla merkezi sunuculara aktarılan verilerle iletir.
• [FONT:0)Environmental izleme: Hava kalitesi, su seviyesi ve uzaktan veya korumalı alanlarda kablolamanın pratik olmadığını kontrol edin.
• [FONT:0)Asset izleme:[Dönetici:[Dönetici: 0 3) Güneş destekli GPS takip eden taşıyıcılar, paletler veya çok yıllık batarya hayatına ihtiyaç duyan hayvancılık.
• [FONT:0) Akıllı altyapı: [Dönetici: 1) Güneş destekli IoT düğümleri köprülerin, boru hatlarının veya binaların yapısal sağlık izlemesi için.
• [[Düzücü cihazlar: [Dönetici: [Dönetici: 0) Düşük Güç aktivitesi, küçük fotovoltaik panellerle şarj edilen bataryayı hızlandıran izler.

Enerji Verimliliğinin Temel Prensipleri

Güneş destekli gömülü sistemlerde enerji verimliliği tek bir optimizasyon değil, tasarımın her alanına dokunan bir tabakalı stratejidir. Aşağıdaki ilkeler temel oluşturur.

Low-Power Selection Donanım

Doğru mikrokontrolü (MCU) seçmek, çok fazla güç modları sunuyor: aktif (düşünce 50-200 μA / 321) uyku (1-10 μA ile RAM) ve derin uyku (sub-1 μA) ile birlikte, STM32L serisi, Microchip SAM L, Texas Instruments MSP430) aynı zamanda dinamik devrelerin ve dinamiklerin boyutlarını da birleştirir:

Akıllı Güç Yönetimi

Güç yönetimi düşük güç bileşenlerini seçerek genişletir. Sistem enerji kullandığı zaman ve sistemin nasıl kullandığı konusunda orkestrayı içerir:

• [Dynamic gerilim ve frekans ölçeklendirmesi (DVFS): [DDVFS: [DDVFS:0) Daha az yoğun hesaplama görevleri sırasında temel gerilimi ve saat hızını azaltın. Birçok MCUs mikrosaniyede geçiş yapabilecek birden çok işletim noktası destekliyor.
• [FOC, USB, zamanlayıcı) gerekli olduğunda, kullanılan modüllere (ADC, USB, zamanlayıcı) izin verilmez.
• [FONT=0]Sleep scheduling:[Dönetici:[Dönetici:0) Sistemi önceden belirlenmiş aralıklarla uyandırmak veya dış olaylara yanıt vermek için düşük güç gerçek zamanlı saat (RTC) kullanmak.
• [FONT=0) Dış yüklerin Güçlendirilmesi: MOSFET anahtarlarını, hücresel modemler veya motorlar gibi tamamen yüksek güç bileşenleriyle etkisiz hale getirmek için kullanır.

Verimli Güç Enerjileri

Güneş paneli yükün gerilimi ve mevcut gereksinimleriyle eşlenmelidir. MPPT algoritmaları panelden zirveye çıkıyor.Küçük sistemler için Common MPPT yöntemleri, [[0) veya [Dönetici) ve ).

• [FONT:0)Bare minimum zaman aktif modunda: CPU ve donanım periferilerini yalnızca gerekli olduğunda yüklemeye çalışır.
• [FONT:0]Efficient algoritmaları:[Dönetici:[Dönetici] Yüzüncü nokta matematik yerine tabloları kullanın ve gecikmeleri engellemeden kaçının.
• [FONT:0) İletişim zamanlaması: [Dönetici: [Dönetici:0] Transmit verileri sıkıştırılmış patlamalarda, o zaman radyoyu aşağı doğru itin. Örneğin, her dakika bir okuma, bir okuma ve her saat tek bir paket gönder.
• [FONT:0)Peripheral konfigürasyon siparişi:), enerji aksanlarını en aza eden sıraya ilk olarak.

Enerji Verimliliği için Tasarım Stratejileri

Bir çalışma tasarımına ilişkin ilkelerin belirlenmesi, donanım-yuware ticaret-offlarının değerlendirilmesini gerektirir. Aşağıdaki stratejiler üretim sistemlerinde etkili olmuştur.

Bitirme-Level Optimizasyonu

Sistem ortalama enerji bütçesi altında quiescent ve aktif akımlar iyi seçilir. Örneğin, aİLFLT:0)STM32L031[DÜT:1) derin uykuda 0.4 μA ile μT etkinleştirilir.

PCB Verimlilik için

Devre yönetim kurulu parasitics mikroamps akabilir. tarafından sızıntıyı Minik:

• [[Döneticileri:0))) Yüksek hacimli düğümlerin yüzey sızıntısını yıkaması için.
• FİLMİŞT:0)seramik kapasitörler[DÜT:1] düşük DC önyargılı hassasiyet ve yüksek yalıtım direnci ile.
• EnsuringFL:0)proper bakır dökme ve zemin uçaklar), direnişi ve indüktif kayıpları azaltmak için.
• Prodüksiyon:0)noisy geçiş düzenleyicileri[Döneticileri: Hassas analog devrelerden, glitch-filtering devreleri tarafından tüketilen ekstra güçten kaçınmak için hassas analog devrelerden (Düzücüler)

Şirketware Power Scheduling

Tipik bir görev döngüsü sistem, zamanınızın %99'unu uykuda geçirir.Programlama süresi en aza indirmek zorundadır.

• [FONT:0] Event-güdümlü uyandırma: Dışsal duyu alarmlarından dışsal kesmeler kullanın, periyodik anket değil.
• [FONT:0]Buffered iletimler:[Dönetici:[Dönetici:0) Birden çok sensör okumalarını tek bir tampona toplayın, sonra bir patlamaya sıkıştırın ve gönder.Bu, birden çok radyo başlangıç dizilerinden kaçınır, her biri önemli enerji tüketir.
• [FONT:0) Adaptif bir görev bisiklet:[Dönetici:[Dönetici:0) Dinamik olarak mevcut enerjiye dayanan uyku aralığı ayarlayın. Örneğin, batarya gerilimi bir eşin altında azalırsa, tekrar şarj olana kadar uyku süresini artırmak.

Enerji Depolama Tasarım Tasarım

Piller ve süper kapasiteler arasındaki seçim, uygulamaya bağlıdır: bataryalar daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak sınırlı döngü ömrüne sahiptir; süper kapasiteye sahipler milyonlarca döngü sunarlar ancak düşük öz şarj oranlarına göre daha uzun süre boyunca hayatta kalmaları gerekir.For systems-ion polimer (LiPo) bataryalar ortaktır, ancak düşük bir öz-şarj kullanarak kimyayı kullanmak çok önemlidir.

MPPT Uygulama Ticareti

Mikrokontrolör ve mevcut algılama kullanarak tam MPPT 10-30 μA ek ekleyebilir. Çok küçük sistemler için (<1 mA average load), a simpler ) FÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Güneş panelinin yığılması sıcak noktalara neden olabilir ve dramatik bir şekilde güç çıktısını azaltabilirsiniz. Modern tasarımlar yılda% 0:0)Dök diyotlar) ve [[Dönder MPPT[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) ile paneller arası geçiş hızları artırmak için (örneğin, yüksek çözünürlükte, otomatik olarak) uzun vadeli bir kontrolde otomatik olarak yapılır.

Harsh Ortalarında Yenidenlik

Açıklanan sistemler sıcaklık aşırılarına, nem, koreatif atmosferlere ve böcek inpostlamalara dayanmalıdır. Conformal kaplama, IP-rated Cookings ve sağlam konektörler maliyet ve boyut ekler, ancak alan boyu boyunca gereklidir. Future trendleri arasında [[0]kendi kendini-healing devreleri ). ve [[DüzDüzg:2packing bio uyumlu malzemeleri kullanarak biyodegrad edilebilir sensörler için kullanılabilir.

İletişim Enerji Şişeneck

Kablosuz iletim genellikle enerji bütçesini hakimdir. LoRa düşük güçte mükemmel bir aralık sunar, ancak tek bir paket bile birkaç milijoules tüketebilir. Düşük güç geniş çaplı uygulamalar için (LPWAN) teknolojilere sahip olacaktır.(0)Mioty ve FLT:2).LTE-M (enerji tasarrufu modu ile) daha iyi enerji verimliliği vaat eder.

AI ve Machine Learning at the Edge

Hafif bir sinir ağları doğrudan MCU'da iletişim enerjisini azaltabilir, ancak ilgili çerçeveler göndermek için ham sensör verilerini bulut sunucusuna göndermesi gerekir. Örneğin, güneş destekli bir vahşi yaşam kamera küçük bir nesne algılama modeli (örneğin, MobileNetV2 ölçümleme) çalıştırabilir.

Enerji Atık Malzemelerinde İleriler

Perovskite güneş hücreleri geleneksel silikondan daha yüksek verimlilik ve esneklik sunar, ancak uzun vadeli stabiliteleri hala gelişiyor. Bifacial paneller ve şeffaf fotovoltaikler yeni entegrasyon olasılıkları açıyor (örneğin, pencereler veya ekran ekran ekran ekranlarında).]

Standartlaştırma ve Araçlar

Endüstri standartlaştırılmış güç yönetimi arayüzlerine doğru ilerliyor.TheETHFLT:0)ARM CMSIS-Power) spesifikasyon, MCU aileleriyle ilgili ortak bir API sağlar, taşınabilir kod oluşturmadan önce. Ek olarak, simülasyon araçları.[D)SystemC-AMS).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Güneş destekli cihazlar için enerji verimli gömülü sistemler, ağ tasarımı, donanım optimizasyonu ve sistem düzeyinde enerji yönetimine dikkat eden çok disiplinli bir meydan okumadır. Nesnelerin interneti, güvenilir ve uzak uygulamalara ulaşma yeteneği, şebeke gücü olmadan uzun vadeli bir operasyon daha değerli hale gelir.

Daha fazla okuma için, [[0)Texas Instruments güneş enerjisi hasat notu ) ve [[Dört:2)Maxim Entegre alt güç gömülü sistem tasarımına kılavuzluk[Dörtüncü) Ayrıca düşük güç kablosuz standartları için )LoRa Alliance kaynaklarına ).