Stimolare l’evoluzione delle reti di sensori

RETI DI SENSORI WIRELESS –

L’utilizzo di tecniche di energy harvesting rimuove tutti gli ostacoli che hanno limitato la proliferazione di reti di sensori wireless, fornendo l’energia necessaria per l’alimentazione dei dispositivi.

In campo manifatturiero, nei complessi industriali, commerciali e residenziali, nell'agricoltura, nelle aree urbane e in numerosi altri contesti, le reti di sensori stanno riscuotendo un consenso sempre più ampio in quanto permettono di migliorare l'efficienza energetica, la sicurezza, l'affidabilità, il livello di automazione e le caratteristiche di protezione delle installazioni. Queste reti supportano un'ampia varietà di funzioni, utili - per esempio - nell'area dei processi industriali; negli impianti di illuminazione, condizionamento e riscaldamento degli edifici residenziali e commerciali; nel controllo dello stato di salute di infrastrutture quali ponti, palazzi, velivoli o macchinari; nei sistemi di verifica della pressione dei pneumatici; nella supervisione dei livelli dei serbatoi; nel monitoraggio dei pazienti in ospedali e cliniche. Per le funzioni di comunicazione e alimentazione, la maggior parte delle reti di sensori ha sempre utilizzato delle connessioni fisiche cablate. I costi di installazione di una rete di sensori basata su cavi in rame, unitamente agli oneri di gestione e supporto dell'infrastruttura, hanno ormai raggiunto dei livelli proibitivi. Oggi sono disponibili delle nuove soluzioni che utilizzano piattaforme di tipo wireless, basate per esempio su standard quali Wireless Hart, ISA100, ZigBee, Bluetooth Smart e 6LowPAN. Tali soluzioni consentono di creare delle reti di sensori eliminando l'onere del cablaggio dati. I sensori ovviamente devono essere alimentati anche in caso di reti wireless: a questo scopo, la soluzione normalmente adottata prevede l'impiego di batterie primarie usa-e-getta al litio o alcaline. L'equipaggiamento e la sostituzione delle batterie comporta degli oneri aggiuntivi, con un esborso stimato in un miliardo di dollari. Una soluzione alternativa è quella di "catturare" l'energia dall'ambiente, direttamente nell'area che circonda il sensore wireless: questo permettere di eliminare per sempre qualsiasi tipo di cablaggio.

Sensori wireless Zero Power
Wsn (Wireless sensor network) è in termine utilizzato identificare sensori wireless e reti di rilevamento e controllo che per l'alimentazione dei dispostivi utilizzano batterie o tecniche di "recupero dell'energia" denominate "energy harvesting". La disponibilità di circuiti integrati a basso costo capaci di gestire le funzioni di rilevamento, elaborazione, comunicazione e acquisizione dati - unitamente alla versatilità garantita dalle reti wireless - permette di evolvere facilmente dalle reti cablate, sia nelle nuove installazioni sia nelle installazioni esistenti. I vincoli che hanno sempre ostacolato il passaggio alle installazioni Wsn sono la scarsa affidabilità e la durata limitata delle batterie necessarie per alimentare i sensori, la parte radio, il processore e gli altri elementi elettronici del sistema. Queste limitazioni hanno in qualche modo condizionato la proliferazione delle reti wireless. Oggi, grazie alle tecniche di energy harvesting, le quali sfruttano dei trasduttori di conversione dell'energia collegati a un dispositivo integrato di ricarica e accumulo, le batterie di vecchia generazione possono essere finalmente eliminate. Queste “centrali elettriche” in miniatura determinano la vita del sensore wireless.

Componenti di un sensore wireless alimentato in EH
Un sensore wireless Zero Power è costituito da cinque elementi base:
1)    Un trasduttore Energy Harvesting che converte l'energia ambientale in elettricità.
2)    Uno stadio di elaborazione energetica che, grazie a una conversione Mppt e a una batteria a stato solido, cattura, accumula ed eroga energia elettrica ai dispositivi elettronici o elettromeccanici residenti nei nodi di rilevamento.
3)    Un microcontroller o una soluzione similare, per ricevere il segnale dal sensore, convertirlo in una forma utile per l'analisi e comunicare con il link radio.
4)    Un sensore per rilevare e quantificare un qualsiasi numero di parametri ambientali, quali moto, prossimità, temperatura, pressione, pH, luce, deformazione, vibrazione e così via.
5)    Un link radio nel nodo sensore, per trasmettere e ricevere informazioni dal processore (su base continua, periodica o in occasione di determinati eventi) a un ricevitore host e a un punto di acquisizione dati.

Sviluppare un sistema alimentato EH
Per progettare e utilizzare con successo dei sensori wireless alimentati con Energy Harvesting è necessario analizzare e risolvere le seguenti problematiche:

1.    Determinare l'energia disponibile nell'ambiente che circonda il sensore – occorre identificare quali fonti di energia ambientale siano disponibili intorno al sensore wireless: luce, gradiente termico, vibrazioni/moto ecc.  Scelto il trasduttore energetico più appropriato, è necessario calcolare la quantità di energia producibile dal trasduttore in tutte le condizioni ambientali.

2.    Recuperare l'energia nel modo più efficiente possibile – nei sistemi di micro potenza EH, è importante progettare la conversione, l'accumulo e la gestione dell'energia secondo criteri di massima efficienza. È importante quindi implementare l'elettronica di conversione energetica secondo tecniche di Maximum Peak Power Point Tracking, ossia di tracciamento del massimo picco di potenza.

3.    Calcolare le specifiche energetiche dell'applicazione e minimizzarle per adattarle ai livelli di EH in ingresso – è necessario identificare le modalità  di impiego e di alimentazione del sensore in relazione ai consumi. I progetti dei sensori di vecchia generazione, alimentati dalla rete, devono essere riconsiderati ai fini del risparmio energetico. Tutti i componenti devono essere usati in modalità sleep il più spesso possibile. Il firmware del microcontroller deve essere scritto secondo un approccio “Energy Aware”, evitando l'uso di loop di polling, controllando attentamente i livelli di carica della batteria e la potenza disponibile in ingresso, variando la durata dei cicli di trasmissione wireless in funzione dello stato energetico e così via.

4.    Dimensionare la risorsa di accumulo dell'energia tenendo conto dei periodi di indisponibilità dell'energia ambiente – tutti i sensori basati su energy harvesting richiedono una risorsa di accumulo, per esempio una batteria a stato solido. Queste batterie ricaricabili devono essere scelte in base alla capacità più appropriata per alimentare il dispositivo anche quando la potenza EH in ingresso è assente, ma anche per ricaricarsi rapidamente quanto la fonte EH è ripristinata.  Un dimensionamento corretto è importante: usare batterie di grosse dimensioni non sempre rappresenta a scelta migliore.

Trasduttori Energy Harvesting
I trasduttori Energy Harvesting operano su una fonte di energia regolarmente o temporaneamente disponibile. Solo per fare qualche esempio, le fonti di energia possono manifestarsi sotto forma di differenza di temperatura, vibrazione (per esempio un motore Ac), onda elettromagnetica radiata o propagata, luce. Utilizzando dei trasduttori opportunamente progettati, è possibile convertire in energia elettrica qualsiasi fonte di energia. L'efficienza e la potenza di uscita da un trasduttore variano in funzione di numerosi fattori (progetto del trasduttore, costruzione, materiali usati, temperatura operativa), in base alla potenza disponibile in ingresso e in base all'adattamento di impedenza sull'uscita del trasduttore stesso.

Batterie a stato solido
I sensori wireless Zero Power richiedono una circuiteria a bassa potenza per il condizionamento e l'accumulo dell'energia in uscita dal trasduttore e per la sua corretta erogazione al resto dell'elettronica. Nella maggior parte degli ambienti, per rifornire continuativamente l'alimentazione al carico, è impossibile avvalersi di un unico trasduttore per ogni circostanza. Benché i trasduttori siano in grado di fornire l'alimentazione all'interno di un determinato intervallo di uscita e con una certa regolarità, essi non accumulano energia. Di conseguenza, in assenza di un dispositivo di accumulo, se la fonte di alimentazione non è presente non viene erogata energia al carico. Oltre a questo, i trasduttori normalmente non generano tensioni adatta per alimentare direttamente un sistema elettronico; a tale proposito, è essenziale un condizionamento capace di rendere l'energia utilizzabile per l'alimentazione di sensori, processori e trasmettitori. In particolare, senza un dispositivo di accumulo dell'energia, è difficile o impossibile gestire i picchi di corrente necessari per pilotare un trasmettitore wireless. I dispositivi di accumulo ricaricabili - come i condensatori Supercap o le batterie a bottone - sono gravati da severe limitazioni che impediscono il rispetto delle esigenze di tensione, corrente, durata dei cicli di carica/scarica e caratteristiche di auto scarica imposte dalle applicazioni. Le nuove batterie a stato solido ricaricabili - come ad esempio le batterie EnerChip di Cymbet - permettono invece di superare i vincoli delle celle di vecchia generazione e dei Supercap.

Microcontrollori, sensore radio wireless
L'uscita di un sensore viene connessa normalmente a un microcontrollore che elabora il segnale creato in seguito alla misura del parametro di interesse (per esempio, temperatura, pressione, accelerazione) e lo converte in una forma utile per la trasmissione dati, l'acquisizione e l'analisi. Il microcontroller di solito invia questa informazione al circuito radio, di cui controlla l'attivazione secondo intervalli di tempo predeterminati o in funzione del verificarsi di un particolare evento. Per massimizzare la durata della fonte di energia, è importante che il microcontroller e la radio operino il più possibile in modalità low power. I costruttori di Mcu, come Nxp, Microchip, TI ed Energy Micro, hanno dedicato molta attenzione alla riduzione dei consumi dei loro prodotti in tutte le modalità operative.

Sensore millimetrico di pressione intra-oculare alimentato EH
Utilizzando l'alimentazione EH è possibile dare vita a sensori wireless innovativi e miniaturizzati. Questo dispositivo è stato sviluppato dall'Università del Michigan e viene utilizzato su pazienti affetta da glaucoma per misurare la pressione del bulbo oculare. Il volume totale del dispositivo non supera il millimetro cubo, come evidente dal confronto con la moneta da un penny.  In questo dispositivo sono presenti tutti i componenti del sensore wireless esaminati nelle precedenti sezioni: un sensore di pressione Mems è collegato a una Mcu low power con funzioni di A/D converter e power management; una cella  solare provvede all'alimentazione del dispositivo e alla carica della batteria a stato solido integrata; un circuito wireless trasmette la pressione dell'occhio a un'antenna ricevente posizionata a pochi centimetri dall'occhio del paziente.

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