Energiemanagement

Applikationsgerechte Systeme für Energy Harvesting

13. Mai 2014, 13:17 Uhr | Stephan Benecke und Rolf Thomasius

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Reduzierung des Energiebedarfes autarker Systeme

Autarke Sensorsysteme verfügen typischerweise über anwendungsspezifische Sensoren, digitale Logik und eine Funkschnittstelle. Messgrößen werden erfasst, digitalisiert, gefiltert und lokal ausgewertet, direkt gesendet und/oder über mehrere Sensorknoten an einen Empfänger weitergeleitet. Aufgrund der Vielfalt ist eine pauschale Aussage über den Energiebedarf nicht möglich. Dieser hängt stark von den verwendeten Messprinzipien, den für die konkrete Anwendung erforderlichen Algorithmen und den genutzten Übertragungsprotokollen ab. Grundsätzlich lassen sich zwei Hauptbetriebsmodi unterscheiden. Während der aktiven Phase erfolgen Messungen, Verarbeitung und/oder Funkkommunikation. In der Schlafphase wartet der Sensorknoten auf ein Ereignis, wobei die Leistungsaufnahme gegenüber dem aktiven Modus deutlich reduziert ist. Ursache für die Leistungsaufnahme trotz passivem Verhalten sind Leckströme und die Versorgung des Aktivierungsmechanismus. Bei Ultra-low-Power-Systemen mit nur kurzen Wachphasen wird der Gesamtenergiebedarf jedoch maßgeblich durch die Schlafphase bestimmt und muss zwingend bei der Systembetrachtung berücksichtigt werden. Durch geeignete Sensoren mit entsprechender Signalverarbeitung wird die physikalische Messgröße in eine Spannung, Strom oder Frequenz überführt. Beide werden anschließend durch einen Analog-/Digitalumsetzer oder einem Zählwerk digitalisiert. Als Faustregel gilt, dass die elektrische Leistungsaufnahme mit der Abtastfrequenz steigt. Zur Reduzierung des Energiebedarfs bieten sich Messprinzipien mit möglichst niedriger Signalfrequenz an. Gegebenenfalls bieten sich sogar passive Indikatorstrukturen zur Auswertung von Schwellwertüberschreitungen an.

Mikrocontroller, Signalprozessoren oder FPGAs steuern die Abläufe im Sensorsystem. Der dynamische Energiebedarf digitaler CMOS-basierter Logik nimmt quadratisch mit der Versorgungsspannung und linear mit der Taktfrequenz zu. Zusätzlich treten in der Praxis jedoch frequenzunabhängige, statische Verlustleistungen auf. Die maximal zulässigen Taktraten vermindern sich mit der Senkung der Versorgungsspannung und damit erhöhen sich die Zugriffszeiten auf externe Speicher und Sensoren. Niedrige Taktraten senken zwar die Verlustleistung, führen im Gegenzug aber dazu, dass Berechnungen länger dauern. Die längere Betriebsphase kann durch zeitlich akkumulierte statische Verluste zu einem höheren Energiebedarf führen. Maßnahmen zur Optimierung des Energiebedarfs sind daher auch hier stark durch die konkrete Anwendung geprägt. In der Regel wird nicht darauf zurückgegriffen, Berechnungen mit hoher Taktrate und damit kurzen aktiven Betriebsphasen durchzuführen.

Flüchtige Speicher, wie SRAM, müssen dauerhaft mit Spannung versorgt werden, um Leckströme zu kompensieren. Das permanente Speichern von Daten in Registern und Speichern führt zu einem merklichen Leistungsanteil während der Schlafphase. Abhilfe schaffen hier nichtflüchtige Speicher, wie EEPROM oder Flash, die nach dem Schreiben und Lesen von der Energieversorgung vollständig getrennt werden können. Ihre längere Zugriffzeit erhöht jedoch den Energiebedarf in der aktiven Phase. Abhängig vom Verhältnis zwischen aktiver und Schlafphase kann ein Caching-Mechanismus die Gesamtenergiebilanz verbessern. Vielversprechend sind inzwischen kommerziell erhältliche Mikrocontroller mit nichtflüchtigem FRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Diese Technologie bietet kürzere Lese- und Schreibzyklen und wesentlich höhere Beständigkeit als Flash oder EEPROM und lässt sich als Arbeitsspeicher nutzen.

Im aktiven Betrieb nimmt die Funkkommunikation einen erheblichen Anteil am Energiebedarf des Sensorsystems in Anspruch. Dabei steigt die Energieaufnahme mit Zunahme der zu übertragenden Datenmenge. Es ist daher abzuwägen, ob für die Datenvorverarbeitung und -reduktion „on Board“ mehr Energie aufgebracht werden muss, als durch die Verkürzung der Sendedauer und die entsprechend reduzierte mittlere Leistung des Transceiver eingespart wird. Die ständige Bereitschaft, Funkprotokolle zu empfangen, kann über energieeffizientes Idle-Listening oder besser noch über die Zuteilung und Synchronisation von Zeitschlitzen, in denen ein Empfang von Daten erwartet wird, realisiert werden. Für asynchrone Systeme existieren Ansätze für Wake-up Receiver, die bei deutlich reduziertem Energiebedarf detektieren, ob Datenverkehr erfolgt, und erst dann den Empfänger vollständig aktivieren.

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