Energieautarke Systeme Staubteilchen im Sensornetzwerk

Ein energieautarkes Funksensornetzwerk wurde mit dem Prototypen eines MEMS-Energieerzeugers und bereits am Markt verfügbaren ICs für Stromversorgung und Funknetzknoten aufgebaut.

MicroGen Systems (www.microgen.com) zeigte auf der Sensors Expo and Conference in Rosemont, IL, im Juni dieses Jahres ein Funksensornetzwerk mit vier Knoten, die jeweils von den „BOLT Power Cells“ des Unternehmens gespeist wurden. Dabei handelt es sich um sogenannte „Energy Harvester“, die mit dem piezoelektrischen Effekt -Vibrationsenergie in elektrische Energie wandeln. Die als MEMS ausgeführten Energiewandler sind Silizium-Chips mit einer Grundfläche von jeweils 1 cm², in die mit mikromechanischen Methoden frei schwingende Strukturen - ähnlich der Zunge einer Mundharmonika - geätzt wurden.

Das freie Ende wurde mit einem Gewicht versehen und mit einem Piezoelektrikum beschichtet (Bild 1). Wird auf den Baustein eine Kraft ausgeübt, dann schwingt die Zunge auf und ab und erzeugt einen Wechselstrom. Bei der Resonanzfrequenz von ca. 120 Hz und einer Kraft von 0,1 g beträgt die Ausgangsleistung etwa 100 µW, bei 600 Hz und 0,5 g werden 900 µW erreicht. Für die Umwandlung der mechanischen Schwingungen in Gleichstrom setzen die Entwickler das für Energy-Harvesting-Anwendungen konzipierte IC  LTC3588-1 von Linear Technologies ein. Das sinusförmige Signal vom Piezoelement wird in einem Brückengleichrichter gleichgerichtet und in einem 10-µF-Kondensator gespeichert. Sobald eine Schwelle von 16 V erreicht ist, setzt der UVLO-Schaltkreis (Under Voltage Lock Out) auf dem Chip den ebenfalls integrierten synchronen Abwärtswandler in Funktion, der die Ladung an den Ausgangskondensator transferiert. Die Hysterese des ULVO-Schaltkreises beträgt 2 V; der Abwärtswandler setzt also wieder aus, wenn die Kondensatorspannung auf 14 V abgesunken ist.

Es lassen sich vier Ausgangsspannungen über externe Anschlüsse programmieren (3,45 V; 4,1 V; 4,5 V; 5,0 V), der kontinuierliche Ausgangsstrom kann bis zu 100 mA erreichen. Damit können Akkus des Typs Lithium-Ionen und LiFeO4 sowie Superkondensatoren geladen werden.

Staubteilchen des Netzwerks

Alle Elemente für den Aufbau eines Netzwerkknotens mitsamt den Bausteinen für Sender und Empfänger im 2,4-GHz-Bereich nach dem Low-Power-Ethernet-Standard 802.15.4e sind in dem SoC-Baustein LTC5800-IPM vorhanden. Der Baustein beruht auf der Entwicklung „Smart Dust“ des Unternehmens Dust Networks, das 2011 von Linear Technologies übernommen wurde. Das Smart-Dust-Konzept stammt vom Dust-Networks-Gründer Dr. Kris Pister, der bereits 1999 den Aufbau -eines selbstorganisierendes Netzwerks aus autonomen Sensorknoten vorgeschlagen hatte (http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust). Dabei enthalten die Knoten - von Dr. Pister „macro motes“ genannt (mote: Staubteilchen) - Sensoren, eine Stromversorgung, elektronische Analogschaltkreise, eine bidirektionale optische (elektromagnetische) Kommunikation sowie einen programmierbaren Mikroprozessor (Bild 2).

Die Verbindung mit dem Netzwerk wird über den internen Router abgewickelt, ein vollständiger „Packet Queue“-Funktionsblock für Senden und Empfangen ist integriert. Diese Funktionen sind für ein Mesh-Netzwerk erforderlich, in dem jeder Knoten Daten empfängt und weiterleitet. Die Daten vom Sensor werden als serieller Datenstrom in die „Packet Queue“-Verarbeitung eingespielt. Mit den Bausteinen kann ein Sensornetzwerk aufgebaut werden, das ohne Netzanschluss auskommt. Für die zeitliche Sortierung der Nachrichten, die über das Sensornetzwerk übertragen werden, kann jedes Paket mit einem Zeitstempel versehen werden. Die Uhrzeit liefert die integrierte Echtzeituhr, deren Genauigkeit nach Angaben des Herstellers im Millisekundenbereich liegt.

Die Stromaufnahme liegt im Empfangsbetrieb bei 4,5 mA, im Sendebetrieb werden bei 0 dBm Sendeleistung 5,4 mA benötigt, bei 8 dBm zieht der Baustein 9,7 mA. Die zur Herstellung des Bausteins genutzte „Eterna“-Technologie bewirkt, dass für den Betrieb der elektronischen Schaltung erheblich weniger elektrische Energie benötigt wird als bei anderen Technologien: Der Hersteller spricht hier von einem Faktor 8. Der Baustein wird in einem 72-Pin-QFN-Gehäuse ausgeliefert.