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Funksensorknoten

Effizient vernetzt

18. Dezember 2014, 8:24 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Berechnung des Energieverbrauchs

Ein Beispieldesign auf Basis des PIC12LF1840T48A diene im Folgenden zur Berechnung des Energieverbrauchs. Der integrierte Sender weist eine maximale Frequenzabweichung von bis zu 200 kHz auf, was eine maximale Bitrate von 100 kBit/s ermöglicht. Bei einem kleinen Datenpaket mit einer 16-Bit-Präaambel, einem 16-Bit-Synchronisationsmuster und einer 32-Bit-Nutzlast kann ein komplettes Datenpaket in nur 640 µs übertragen werden. Der Energieverbrauch zum Senden eines Datenpakets bei einer Versorgungsspannung von 3,0 V und einer Stromaufnahme von 10,5 mA errechnet sich nach Gleichung (1).

(1) $E space equals space U space times space l space times space t space equals space 2 comma 0 space V space times space 10 comma 5 space m A space times space 640 space mu s space equals space 20 comma 16 space mu J$

Die Anlaufzeit des Quarzoszillators beträgt 650 µs, wobei während dieser Zeit ein Strom von 5 mA fließt. Die Energie für diese Phase berechnet sich nach Gleichung (2).

(2) $E subscript A n l a u f end subscript space equals space 3 comma 0 space V space times space 5 comma 0 space m A space times space 650 space mu s space equals space 9 comma 75 space mu J$

Bei einer HF-Übertragung mit +0 dB bei 868 MHz benötigt eine FSK-Modulation damit 12 mA Strom. Für die gewählte Bitrate von 100 kBit/s ergibt sich bei einer Übertragungsdauer von 640 µs eine Energieaufnahme von 23,04 µJ (Gleichung (3)).

(3) $E subscript 100 space k B i t divided by s end subscript space equals space 3 comma 0 space V space times space 12 comma 0 space m A space times space 640 space mu s space equals space 23 comma 04 space mu J$

Eine einfache Übertragung bei 10 kBit/s benötigt demgegenüber 144 µJ (Gleichung (4)).

(4) $E subscript 10 space k B i t divided by s end subscript space equals space 3 comma 0 space V space times space 7 comma 5 space m A space times space 6 comma 4 space m s space equals space 144 comma 0 space mu J$

Dieser Vergleich zeigt, dass die Datenrate die Energieaufnahme stark beeinflusst. Eine höhere Datenrate ist also von Vorteil.

Der Sender des PIC12LF1840T48A schaltet automatisch ab und geht in den stromsparenden Shutdown-Modus über, nachdem er das letzte Datenbit gesendet hat. Mit einer Mindestabschaltzeit von 2 ms beträgt die zusätzliche Energieaufnahme 72 µJ (Gleichung (5)).

(5) $E subscript A b s c h a l t end subscript space equals space 3 comma 0 space V space times space 12 comma 0 space m A space times space 2 space m s space equals space 72 comma 0 space mu J$

Damit ergibt sich der Gesamtenergieverbrauch für die Übertragung eines einzelnen Datenpakets aus Gleichung (6).

(6) $E subscript g e s end subscript space equals space E subscript A n l a u f end subscript space plus space E subscript 100 space k B i t divided by s end subscript space plus space E subscript A u s s c h a l t end subscript space equals space space space space space space space space space equals space 9 comma 75 space mu J space plus space 23 comma 04 space mu J space plus space 72 space mu J space equals space 104 comma 79 space mu J$

Eine kleine Solarzelle, die einen Ausgangsstrom von 4,5 µA bei 3 V erzeugt, muss demnach ein paar Sekunden aktiv sein, um die erforderliche Energie für eine einzelne Datenübertragung bereitzustellen. Eine kostengünstige Solarzelle erzeugt im besten Fall bei 3 V an die 40 µA und damit nur 120 µW Leistung. Gleichung (7) zeigt, wieviel Zeit nötig ist, um genügend Energie zum Senden einer einzelnen Datenübertragung zu sammeln.

(7) $t space equals space E over P space equals space fraction numerator 104 comma 79 space mu J over denominator 120 space mu W end fraction space equals space 0 comma 87 space s$

Demnach muss der Sensor 0,87 s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Datenübertragungen warten, vorausgesetzt die Solarzelle verfügt über eine konstante Lichtquelle. In realen Anwendungen ist natürliches Licht (die Hauptenergiequelle) nur tagsüber verfügbar. Die Berechnung muss daher um die Tatsache erweitert werden, dass das Harvesting-System die während des Tages gesammelte Energie speichert und in der Nacht verbraucht. Ebenfalls zu berücksichtigen ist, dass die erforderliche Energie zur eigentlichen Sensormessung nicht in den Berechnungen enthalten ist.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die tagsüber gesammelte Energie zu speichern. Dazu zählt zum Beispiel ein Superkondensator oder die Erhaltungsladung eines kostengünstigen NiMH-Akkus direkt über die Solarzelle. In den wenigen Anwendungen, in denen die Energiequelle konstant ist, kann eine Energiespeicherung entfallen.