Drahtlose Sensor-Netzwerke
Funk-Sensor mit niedriger Energieaufnahme
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Funk-Sensor mit niedriger Energieaufnahme
Der Zugriff auf die internen Register ist unabhängig vom Interface-Typ. Der Druck-Sensor unterstützt vier Messbetriebsarten sowie die Betriebsarten „Stand-by“ und „Power Down“. Die Messbetriebsarten unterscheiden sich in Auflösung, Umsetzungsrate und Stromaufnahme. Zusätzlich zum Takt- und Datensignal (SCL, SDA) werden ein separates „Power Down“- (PD), ein „Data Ready“- (DRDY) und ein „Trigger“-Signal (TRIG) verarbeitet. Um die Stromaufnahme des Sensors zu minimieren, werden die dafür definierten Anschlüsse zusätzlich für die Steuerung verwendet. So kann erreicht werden, dass im Sleep-Modus statt der sonst üblichen 1 μA lediglich 200 nA aufgenommen werden.
Komplett per I2C-Bus wird der dritte Sensor gesteuert, der ISL29003 Light Sensor der Firma Intersil [7], der sich auf der Platinenoberseite (Bild 1) befindet (Bild 5). Im aktiven Mess-Modus benötigt der Licht-Sensor einen Strom von 300 μA, im „Power Down“-Modus 100 nA . Er bietet vier programmierbare Empfindlichkeitsbereiche (1000 bis 64 000 Lux) mit zwei Fotodioden. Eine reagiert auf infrarotes, die zweite auf infrarotes und sichtbares Licht. Ein integrierter 16-bit- A/D-Umsetzer mit programmierbarer Auflösung und variabler Oszillatorfrequenz (typisch 655 kHz) erlaubt eine optimale Anpassung an die benötigte Rechenleistung; dies hat einen direkten Einfluss auf die Stromaufnahme.
Bei der Programmierung der Sensoren wurde festgestellt, dass die im TinyOS 2.0 vorhandenen I2C-Routinen nicht korrekt implementiert sind [8]. Das hat zur Folge, dass beim Lesen von N Bytes N+1 Bytes gelesen werden müssen, aber nur die letzten N Bytes liefern gültige Daten.
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Energiegewinnung und Spannungsversorgung
Die IRIS-Wireless-Module werden mit zwei Akkus (NiMH AA 1,2 V, 2700 mAh) betrieben. Daher ist für die Sensor-Platine bereits eine Spannung von 2,4 V vorhanden, die für die Versorgung der drei hierzu passenden Sensoren genutzt werden kann.
Die Spannungsversorgung wurde durch eine Solar-Zelle und einen Spannungswandler (Aufwärtsregler) ergänzt. Darüber können die Akkus entsprechend geladen werden. Ein kleines Solar- Panel (22 mm × 7 mm × 1,4 mm) mit 18 mW (1,5 V, 12 mA, vgl. Bild 1) reicht aus, um den gesamten Knoten dauerhaft betreiben zu können. Das IXOLAR-Solar-Panel der Firma Ixys [9] verwendet monokristalline Solar-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 17 %, was auch bei weniger Licht noch zu verwertbaren Leistungen führt. Die 1,5-V-Ausgangsspannung des Solar-Panels werden mit dem Aufwärtsspannungswandler TPS61014 [10] von Texas Instruments auf 2,8 V hochgesetzt. Der Wandler erreicht einen Wirkungsgrad von 95 %, er ist nach einer Deaktivierung zwischen Ein- und Ausgang schaltungstechnisch isoliert. Ein sicherer Betrieb des Knotens ist im Spannungsversorgungsbereich von 2,4 bis 3,6 V gegeben. Die IRIS-Schaltung selbst arbeitet zwar bereits ab 1,8 V, die Sensoren benötigen jedoch mindestens 2,4 V.
Die TPS61014-Schaltung ist dann aktiv, wenn Licht auf das Solar-Panel fällt, was zu einer Spannung Usolar (Bild 3) führt, und wenn der „Power Enable“-Anschluss der IRIS-Schnittstelle aktiviert ist. Die Spannung an Usolar wird mit einer 1000-μF-Kondensator- Bank aus handelsüblichen Tantal- Kondensatoren gepuffert. Sobald die Kondensatoren voll aufgeladen sind (1,65 V), wird der Spannungswandler aktiviert und die Akkus werden geladen. In der Tabelle sind die mit dem Licht-Sensor der Platine gemessenen Lux-Werte und die sich daraus ergebenden Betriebsarten angeführt. Als Ladezeit ist die Zeit ausgewiesen, die für die Aufladung der Kondensator- Bank erforderlich ist. Die seit mehr als einem Jahr ohne Unterbrechung betriebenen Sensor- Knoten (Bild 6), die sich teilweise in Räumen ohne Tageslicht befinden, arbeiten mit einem programmierten Messzyklus, in dem die vier Messwerte alle drei Minuten erfasst werden.
Dieser Vorgang dauert 0,8 s, während dieser Zeit fließt ein Strom von 350 μA. Unmittelbar danach erfolgt die Transmit-Phase in das Zig- Bee-Netzwerk, dabei wird das HF-Interface AT86RF230 für etwa zwei Sekunden eingeschaltet, der Strom steigt hierbei auf 33 mA an. Anschließend geht der Knoten wieder in den Sleep-Modus, für den 34 μA benötigt werden. Um die Akkus auf voller Ladung zu halten, ist pro Tag lediglich eine Ladezeit von einer Viertelstunde erforderlich. Hierfür reichen bereits recht geringe Lichtintensitäten aus (siehe Tabelle).
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