Mess- und Prüftechnik / Feldmesstechnik

In-situ-Validierung von Energy-Harvesting

20. Juni 2017, 14:29 Uhr | Lukas Sigrist et al., Institut für Technische Informatik und Kommunikation (TIK), ETH Zürich

Fortsetzung des Artikels von Teil 5

Anwendungsberichte

Wir diskutieren einige den Entwurfsprozess unterstützenden Alleinstellungsmerkmale der Testlösung.

Low-Power-Optimierung

Das gewöhnliche Prototyping optimiert die Ruhezustände zwischen den beiden Extrema, minimaler Ruhestrom und präzises Timing. Das fordert ULP-Messfähigkeit und schnelles Umschalten zwischen den Messbereichen.
Im Beispiel liegt eine ein-sekündige Ruhephase zwischen der Auftragsausführung. Das Experiment simuliert aktive Aufträge mit dem Anschalten zweier LEDs auf der MSP430-Plattform. Bild 4 zeigt den aufgezeichneten Energieumsatz von vier unterschiedlichen Implementierungen dieses Anwendungsszenarios. Das rechte Bild zeigt den zweiten Schaltvorgang im Detail.

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Bild 4: Vergleich der Transienten von Ruhe- zu Aktivstrom vierer Implementierungen, bei 1 kS/s. Rechts: Detailansicht der Ruhephase der drei Takte niedrigster Leistung.
Bild 4: Vergleich der Transienten von Ruhe- zu Aktivstrom vierer Implementierungen, bei 1 kS/s. Rechts: Detailansicht der Ruhephase der drei Takte niedrigster Leistung.
© TIK / ETH Zürich

»Busy Idling« bezeichnet den Leerlauf bei

8 MHz zwischen zwei Aufgaben, »High Freq. Timer« den Ruhemodus unter 1 MHz Taktfrequenz, »Low Freq. Timer« den analogen Zustand bei 9,6 kHz, »Watchdog Timer« einen Watchdog mit selber Frequenz.
Das Diagramm und die ULP-Ergebnisse zeigen den Unterschied zwischen präzisem Ruheversatz und ULP-Energieumsatz der unterschiedlichen Takte, mit der Ausnahme
»Active Idling« das keinen LP-Prozess bedeutet. Im Prototyping ist der große Dynamikbereich unserer Messlösung zur Verifikation und Optimierung verschiedener LP-Designs essenziell.

Wearables mit mehreren Harvesting-Quellen

Eine wichtige Phase im Harvesting-Systementwurf ist die Durchführung und Charakterisierung des Prototypen unter realen Bedingungen. Für tragbare Geräte gestaltet sich das, wegen ihrer starken Zeitabhängigkeit, oft schwierig.

Weiterhin muss zur in-situ-Validierung auch das Prüfgerät vom Nutzer getragen werden. In diesem Anwendungsfall wird ein Harvesting-Armband mit Solarzellen und
thermoelektrischen Generatoren (TEG) geprüft. Der Prüfling bewegt sich zunächst bei warmen Temperaturen im Freien, bevor er einen kühleren Raum betritt. Bild 5 zeigt die Harvesting-Erträge und Umgebungsbedingungen im oberen und unteren Bereich.

Bild 5: Harvesting-Leistung und Umgebungsbedingungen eines Armbands unter realen Testbedingungen.
Bild 5: Harvesting-Leistung und Umgebungsbedingungen eines Armbands unter realen Testbedingungen.
© TIK / ETH Zürich

Die TEG-Leistung liegt im Bereich einiger

100 μW, die Solar-Leistung im Bereich einiger mW. Auf der rechten vertikalen Achse sind die Betriebsspannungen von Solarzelle und TEG verzeichnet, die Solarenergie dominiert im Freien, der TEG im Zimmerbetrieb.

Solche Daten sind für die Iteration des Entwurfsprozess, zur Optimierung der Ernteeffizienz, unverzichtbar. Ohne unabhängige, synchrone Messung vieler Spannungs- und Stromkanäle und der Umgebungsdaten ist das Armband im Feld nicht präzise zu evaluieren.

Langzeit in-situ-Messung

Im finalen Prototyping wird das System im Feld geprüft und validiert. Das erfordert
eine Langzeit-Messung: Bild 6 zeigt einen sieben-stündigen Ausschnitt eines tagelangen Experimentes zur Validierung des solarbetriebenen Sensorknotens.

Bild 6: Erfassung eines seltenen Fehlers nach 56 Stunden in-situ-Aufzeichnung.
Bild 6: Erfassung eines seltenen Fehlers nach 6 Stunden in-situ-Aufzeichnung.
© TIK / ETH Zürich

Der Harvesting-Schaltkreis sammelt langsam Energie in einem Speicherkondensator. Je
nach Spannungsniveau wird ein Mikrocontroller zur Durchführung unterschiedlicher Aufträge angewiesen. Der bereits validierte Knoten befand sich an einer Büromauer unter indirekter Sonneneinstrahlung. Bild 6 zeigt die Einstrahlung während des Experiments im unteren Teil, die eingefangene Solarenergie im Oberen.

In der letzten Stunde des Experiments trat ein Fehler auf, die Speicherspannung verblieb auf hohem Niveau, während die Eingangsleistung oszillierte. Die rechte Seite des Plots zeigt eine Nahaufnahme um diesen Fehlerbereich. Gegen t=5,97 h und nach mehr als 3700 erfolgreichen Ausführungen überschreitet der Speicher einen Schwellwert, der Graph zeigt den Knoten in einem nicht-definierten quasi-statischen Zustand.

Unter näherer Inspektion ergab sich als Ursache ein seltener Timingfehler. Im Labor war dieser Fehler nicht zu identifizieren, da er auf die in der Zeit variierenden Arbeitspunkte von Quelle und Last zurückzuführen ist.

Fazit

In umgebungsanfälligen Systemen, die aus vielen Komponenten bestehen, ist die in-situ-Validierung unerlässlich. Solche Aufgabenstellungen fordern spezifische Messlösungen. Der RocketLogger zeigt ein erfolgreiches Beispiel für eine, aus diskreten Komponenten bestehende, Implementierung. (ct)

CharakteristikKeithley Digital Multimeter [7]RocketLoggerEmbedded Power Logger (Nemo [9])
Spannungsbereich / Präzision

1 nV - 1100 V /

0,004 % + 1,2 μV

6 μV - 5,5 V /

0,02 % + 13 μV

keine Spannungsmessung

Strombereich /

Präzision

10 pA - 2,1 A /

0,05 % + 1,2 nA

1 nA - 500 mA /

0,09 % + 4 nA

0,1 μA - 202 mA /

1,34 % im Mittel,

8 % maximal

Beeinflußung

Eingangswiderstand

> 100 GΩ
Spannungslast

≤ 350 mV

Eingangswiderstand

1 TΩ
Spannungslast

≤ 53 mV

Spannungslast

≤ 130 mV

FormfaktorLaborgerätTragbares GerätEingebettete Messschaltung
StromversorgungNetzanschlussBatterieÜber die Applikation versorgt
FernzugriffVoller ZugriffDatenakquise und Steuerungkeiner
UmgebungsparameterTemperatur (über Spannung)Digitale Sensorikkeine
ModfizierbarkeitKeine, modulares SystemBeliebige Linuxapplikation

Firmware

 

Tabelle 1: Funktionalitätsvergleich zwischen dem RocketLogger und Marktlösungen.

 

KomponenteMetrikBereich / Wert
AllgemeinAbtastrate
Aufgezeichnete Daten
Formfaktor
1 kS/s up to 64 kS/s
bis zu 8,29 GB/h
103 mm x 68 mm
Spannung
±5,5V (4x)
Rauschen
Eingangsleckstrom
Bandbreite
Präzision (24 h)
5,9 μVRMS (1,38 mVRMS)
~ 5 pA
262 Hz (10 kHz)
0,02 % +13 μV
Strom
±500 mA (2x)
Voller Dynamikbereich
(Eingangs-)Spannungsabfall bei 500 mA
Rauschen im hohen Bereich
Niedriger Strombereich
Rauschniveau im n. SB.
Umschaltzeit
Transiente Spannungslast
Bandbreite
Präzision im niederen Bereich (24 h)
Präzision im hohen Bereich (24 h)
172 dB
53 mV
1,34 μARMS (50,6 μARMS)
±2 mA
1,33 nARMS (276 nARMS)
1,4 μs
max. 430 mV for ≤1,4 μs
262 Hz (9,5 kHz)
0,03 % +4 nA
0,09 % +3 μA
Digitale Eingänge (6x)Eingangsleckstrom
Schwellspannung

< 1 pA
konfigurierbar

von –6 V bis 6 V

 

 

Tabelle 2: Charakteristische Werte des RocketLoggers. Rauschniveau und Bandbreite sind bei 1 kS/s und 64 kS/s gezeigt.

 

Autorenliste

Lukas Sigrist, Andres Gomez, Roman Lim, Stefan Lippuner, Matthias Leubin, Lothar Thiele, Institut für Technische Informatik und Kommunikation (TIK), ETH Zürich

 

 


  1. In-situ-Validierung von Energy-Harvesting
  2. Harvesting-Entwurf und Marktlösungen
  3. Systemarchitektur
  4. Datenakquise
  5. Vergleich mit bisherigen Lösungen
  6. Anwendungsberichte

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