Mit Solar- und Peltierboard Energy-Harvesting-Systeme rascher entwickeln

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Evaluierungsplattform für Energy Harvesting

Beim solarenergiebetriebenen Wireless-Subsystem (SBN-Board), sind die wichtigsten Komponenten und Anschlüsse hervorgehoben. Das im Lieferumfang enthaltene Solarpanel wird direkt an den Energieeingangsport angeschlossen. Auf dem Board sind ein NTC-Temperatursensor und ein Umgebungslichtsensor OSRAM SFH5711 installiert und die ebenfalls im Lieferumfang enthaltene 2,4-GHz-Antenne ist an das Funk-Subsystem des Niederspannungs-Transceivers Atmel AT86RF320 IEEE 802.15.4 angeschlossen. Der AT86RF320 arbeitet ab einer Versorgungsspannung von nur 1,8 V und liefert eine Funkleistung von 3 dBm.

Das an den Energieeingang angeschlossene Energieumwandlungsnetz ist ein funktionskritischer Bestandteil des Boards. Beim SBN-Board ist der primäre DC/DC-Wandler der LTC3105 von Linear Technology. Diese Komponente ist für den Einsatz mit einer einzelnen Solarzelle optimiert und benötigt einen geringen Einschaltstrom von 250 mA sowie eine Mindesteingangsspannung von 225 mV.

Eine weitere wichtige Eigenschaft des DC/DC-Wandlers LTC3105 ist die Funktion Maximum Power-Point Tracking (MPPT), die kontinuierlich die Eingangscharakteristiken des Wandlers an die sich ändernden Variablen am Ausgang der Solarzelle wie Zeit, Temperatur- und Sonnenlichtintensität anpasst, um stets eine optimale Leistungsübertragung zu gewährleisten. Dies verhindert Energieverluste, die durch eine unzureichende Abstimmung zwischen dem Solarzellenausgang und dem Eingang des DC/DC-Wandlers verursacht werden können und garantiert somit höchste Effizienz. Eine weitere Energiesparfunktion des LTC3105 ist der Betrieb im Burst-Modus bei geringer Auslastung. In diesem Betriebsmodus beträgt der Ruhestrom lediglich 24 µA.

Das ebenfalls im Lieferumfang enthaltene PBN-Board für den Einsatz mit einem Peltier-Element arbeitet ähnlich wie das SBN. Der hier verwendete DC/DC-Wandler LTC3109 ist speziell auf die Ausgangseigenschaften einer Peltier-Zelle abgestimmt. Der LTC3109 arbeitet ab einer Eingangsspannung von nur ±30 mV und ist dank seiner Auto-Polarity-Architektur in der Lage, auch dann Energie zu gewinnen, wenn die von der Peltier-Zelle erfasste Temperaturdifferenz geringer ist als ±1 °C.

In Kombination mit externen Komponenten wie einem Energiespeicher ist der LTC3109 eine komplette Energiemanagement-Lösung für die Wireless-Abtastung und Datenerfassung. Dank einem extrem geringen Ruhestrom und der hohen Effizienz wird die gewonnene, für die Anwendung verfügbare Energie maximiert.

Die SBN- und PBN-Boards speichern die gewonnene Energie in einem Elektrolytkondensator mit 680 µF. Mit dieser Technologie kann das System Energie effizient aufnehmen und in einer hinreichenden Menge speichern, um ein einzelnes Datenpaket vollständig zu übertragen. Um Entwicklern noch mehr Flexibilität zu bieten, sind die Energy-Harvesting-Systeme TheDrop zusätzlich mit Anschlüssen für einen Superkondensator ausgestattet. Damit lassen sich die Speicher- und Entladungskapazitäten der Systeme erhöhen, um Zusatzfunktionen oder längere Datenübertragungen zu unterstützen.

Als Host-Mikrocontroller beider Energy-Harvesting-Systeme dient der Atmel ATxmega128A3, der aufgrund seines geringen Energiebedarfs, seiner geringen Betriebsspannung (1,6 V bis 3,6 V), der 8-Bit-AVR-CPU und des Flash-Programmspeichers mit 128 KB ausgewählt wurde. Die Produktfamilie ATxmega von Atmel unterstützt ferner den internationalen Netzwerkstandard KnX, der für Gebäudetechnik eingesetzt wird und Kompatibilität mit anderen Systemen der Gebäudeautomatisierung gewährleistet.

Energieeffiziente Firmware

Die Firmware von TheDrop basiert auf dem bewährten Wireless UART des Kits Atmel RZ600. Die Firmware wurde sowohl auf den Mikrocontroller Atmel AT32UC3B0256 auf das USB-Board als auch die ATxmega128A3 auf den SBN- und PBN-Boards portiert. Um den hochspezifischen Anforderungen des Kits TheDrop zu entsprechen, also um zu gewährleisten, dass die Messungen der Temperatur- und Lichtsensoren ausschließlich Umgebungsenergie erfassen, wurde der Quellcode so geändert, dass die Werte des NTC-Sensors und des OSRAM SFH5711 gelesen und die Daten wireless so schnell wie möglich übertragen werden.

Nach der Übertragung schaltet sich der ATxmega128A3 automatisch aus, um die verbleibende gespeicherte Energie einzusparen. Die für jedes Board geänderte Firmware kann mit wenigen Änderungen an den Kits RZ600 und XMEGA-A1 EXPAIN getestet werden. Der Code wird auf das Board heruntergeladen und über den Minianschluss JTAG-MKII ausgetestet.

Nach dem Einrichten und Testen der Harvesting-Boards kann das USB-Board an den Computer angeschlossen werden. Zur Aktivierung sind lediglich einige einfache Anweisungen zu befolgen und der korrekte virtuelle COM-Port auszuwählen. Durch Anklicken der Schaltfläche START beginnt die Kommunikation mit den Sensor-Boards und die erfassten Temperatur- und Lichtwerte werden in Grad Celsius und Lux auf dem Bildschirm angezeigt.

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