Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di laurea in Ingegneria dell’Informazione
Tesi di laurea triennale
Relatore: Prof. Ing. Sergio CARRATO
Correlatore: Piergiorgio MENIA
Laureando:
Edoardo DEGRASSI
Introduzione
I dispositivi wireless sono molto diffusi: la loro portabilità è
dovuta alle batterie.
Wireless Sensor Networks: le batterie sono una limitazione:
costi di mantenimento, raggiungibilità di sensori remoti.
Batterie determinano la vita utile del nodo della rete.
Si vuole prolungare la vita della batteria o farne a meno.
Come fare?
Energia presente nell’ambiente: luce, gradienti termici, RF,
vibrazioni e movimento.
Energy harvesting
Cella solare
Trasduttore
piezoelettrico
Rectenna
Thermoelectric
generator
Obiettivo
Tirocinio e tesi presso Elimos S.r.l., AREA Science Park.
Obiettivo: valutare se le tecnologie di energy harvesting
sono in grado di alimentare un sistema reale.
Test 1: 1 cella solare in silicio monocristallino 10x10 cm, 1
cella solare in silicio amorfo 3x5 cm.
Test 2: trasduttori piezoelettrici
modello V22B, V25W.
Valutazione trasduttori
Obiettivo: verificare la potenza ottenibile dai vari
trasduttori.
Celle solari: curva I-V.
In silicio cristallino 10x10 cm:
Valutazione trasduttori
Cella in silicio amorfo 3x5 cm:
Valutazione trasduttori
Prova alternativa:
Cella in silicio amorfo sotto lampada al neon da 16 W, alla
distanza di 12 cm:
Valutazione trasduttori
Trasduttori piezoelettrici:
studiare la loro frequenza naturale.
Materiale utilizzato: shaker, accelerometro,
raddrizzatore a ponte, generatore di funzioni.
Prove ad accelerazioni di 0.5 g e 1 g.
Massa aggiuntiva per:
estrarre più potenza,
abbassare la frequenza naturale.
Valutazione trasduttori
Trasduttore V22B:
Valutazione trasduttori:
Trasduttore V22B, massa pari a 2.06 grammi:
Valutazione trasduttori
Trasduttore V25W:
Valutazione trasduttori
Trasduttore V25W, massa pari a 10.2 grammi:
Valutazione trasduttori
Potenza ottenibile dal trasduttore V25W, con massa
aggiuntiva, in funzione della resistenza di carico:
Integrati della Linear Technology
La tensione in uscita dai trasduttori deve essere adattata
alla tensione richiesta dal carico.
Convertitori:
BOOST (STEP-UP)
BUCK (STEP-DOWN)
Se sorgente ambientale ha andamento discontinuo
bisogna caricare un elemento di accumulo.
LTC3105, LTC3588.
Potenza utilizzabile
Obiettivo: trovare la potenza effettivamente utilizzabile.
Tensione di uscita dalle demo boards pari a 3.3 V.
Potenza disponibile:
Cella solare in silicio cristallino: 103.8 mW
Trasduttore piezoelettrico V25W: 0.9 mW, a 0.5 g.
Valutazione pratica
Obiettivo: implementare un sistema reale alimentato
solamente dal V25W.
Sistema basato su microcontrollore, che si accende solo
in presenza di vibrazioni e gestisce una trasmissione
wireless.
MCU: Atmel AVR ATmega16L.
ATmega16L
Microcontrollore a 8 bit, RISC, architettura Harvard.
Obiettivo: minimizzare l’assorbimento di corrente:
Frequenza di clock minima
con quarzo esterno da 32.768 kHz
Tensione di alimentazione
pari a 3.3 V
Disabilitati: Brown-out detector
Ckopt
ADC
Comparatore analogico
Watchdog timer
ATmega16L
Impostati tutti i pin come input, abilitati tutti i resistori di
pull-up.
Diversi consumi nelle varie modalità di sleep:
Active: 90 µA
Idle: 19 µA
Extended Standby: 8 µA
Trasmissione wireless
Obiettivo: simulare un consumo in trasmissione simile a
quello delle LR-WPANs (IEEE 802.15.4).
Trasmissione simulata facendo accendere un LED che
consuma quanto una TX reale.
PAN1721
(14 mA, 0 dBm)
CC2550
(30mA, 0 dBm)
BLE112
(30mA, -2 dbm)
Resistenza di 4.1 Ω in serie al LED
consumi: 30.6 mA.
Impostato il prescaler del Timer0 del MCU
LED acceso per 62.5 ms.
Implementazione
Elemento di accumulo: condensatore.
Dimensionamento:
Utilizzato C da 4700 µF, 25 V.
Sfruttate le modalità di sleep
62.5 ms, poi in modalità Idle.
in modalità Active per
Conclusioni
Valutati i diversi trasduttori singolarmente e verificata la
potenza utilizzabile da essi (tramite ICs).
Implementato sistema a basso assorbimento basato su
microcontrollore ATmega16L, che gestisce una TX
simulata.
Il sistema implementato è in grado di gestire dei consumi
di 30.6 mA per 62.5 ms ogni 8 secondi.
Sviluppi futuri: studiare il V22B, implementare una
trasmissione wireless reale.
Back-up
Rectenna
Back-up
TEG
Back-up
Trasduttore piezoelettico
1 2π Back-up
Schema a blocchi del sistema finale: