Dipartimento di Ingegneria e Architettura Corso di laurea in Ingegneria dell’Informazione Tesi di laurea triennale Valutazione di tecniche di energy harvesting per applicazioni industriali basate su microcontrollori/SoC a basso assorbimento Relatore: Prof. Ing. Sergio CARRATO Correlatore: Piergiorgio MENIA Laureando: Edoardo DEGRASSI

Introduzione I dispositivi wireless sono molto diffusi: la loro portabilità è dovuta alle batterie. Wireless Sensor Networks: le batterie sono una limitazione: costi di mantenimento, raggiungibilità di sensori remoti. Batterie determinano la vita utile del nodo della rete. Si vuole prolungare la vita della batteria o farne a meno. Come fare? Energia presente nell’ambiente: luce, gradienti termici, RF, vibrazioni e movimento.

Trasduttore piezoelettrico Thermoelectric generator Energy harvesting Trasduttore piezoelettrico Thermoelectric generator Cella solare Rectenna

Obiettivo Tirocinio e tesi presso Elimos S.r.l., AREA Science Park. Obiettivo: valutare se le tecnologie di energy harvesting sono in grado di alimentare un sistema reale. Test 1: 1 cella solare in silicio monocristallino 10x10 cm, 1 cella solare in silicio amorfo 3x5 cm. Test 2: trasduttori piezoelettrici modello V22B, V25W.

Valutazione trasduttori Obiettivo: verificare la potenza ottenibile dai vari trasduttori. Celle solari: curva I-V. In silicio cristallino 10x10 cm:

Valutazione trasduttori Cella in silicio amorfo 3x5 cm:

Valutazione trasduttori Prova alternativa: Cella in silicio amorfo sotto lampada al neon da 16 W, alla distanza di 12 cm:

Valutazione trasduttori Trasduttori piezoelettrici: studiare la loro frequenza naturale. Materiale utilizzato: shaker, accelerometro, raddrizzatore a ponte, generatore di funzioni. Prove ad accelerazioni di 0.5 g e 1 g. Massa aggiuntiva per: estrarre più potenza, abbassare la frequenza naturale.

Valutazione trasduttori Trasduttore V22B:

Valutazione trasduttori: Trasduttore V22B, massa pari a 2.06 grammi:

Valutazione trasduttori Trasduttore V25W:

Valutazione trasduttori Trasduttore V25W, massa pari a 10.2 grammi:

Valutazione trasduttori Potenza ottenibile dal trasduttore V25W, con massa aggiuntiva, in funzione della resistenza di carico:

Integrati della Linear Technology La tensione in uscita dai trasduttori deve essere adattata alla tensione richiesta dal carico. Convertitori: BOOST (STEP-UP) BUCK (STEP-DOWN) Se sorgente ambientale ha andamento discontinuo bisogna caricare un elemento di accumulo. LTC3105, LTC3588.

Potenza utilizzabile Obiettivo: trovare la potenza effettivamente utilizzabile. Tensione di uscita dalle demo boards pari a 3.3 V. Potenza disponibile: Cella solare in silicio cristallino: 103.8 mW Trasduttore piezoelettrico V25W: 0.9 mW, a 0.5 g.

Valutazione pratica Obiettivo: implementare un sistema reale alimentato solamente dal V25W. Sistema basato su microcontrollore, che si accende solo in presenza di vibrazioni e gestisce una trasmissione wireless. MCU: Atmel AVR ATmega16L.

Frequenza di clock minima ATmega16L Microcontrollore a 8 bit, RISC, architettura Harvard. Obiettivo: minimizzare l’assorbimento di corrente: Disabilitati: Frequenza di clock minima con quarzo esterno da 32.768 kHz Tensione di alimentazione pari a 3.3 V Brown-out detector Ckopt ADC Comparatore analogico Watchdog timer

ATmega16L Impostati tutti i pin come input, abilitati tutti i resistori di pull-up. Diversi consumi nelle varie modalità di sleep: Active: 90 µA Idle: 19 µA Extended Standby: 8 µA

Trasmissione wireless Obiettivo: simulare un consumo in trasmissione simile a quello delle LR-WPANs (IEEE 802.15.4). Trasmissione simulata facendo accendere un LED che consuma quanto una TX reale. PAN1721 (14 mA, 0 dBm) BLE112 (30mA, -2 dbm) CC2550 (30mA, 0 dBm) Resistenza di 4.1 Ω in serie al LED consumi: 30.6 mA. Impostato il prescaler del Timer0 del MCU LED acceso per 62.5 ms.

Implementazione Elemento di accumulo: condensatore. Dimensionamento: Utilizzato C da 4700 µF, 25 V. Sfruttate le modalità di sleep in modalità Active per 62.5 ms, poi in modalità Idle.

Implementazione

Conclusioni Valutati i diversi trasduttori singolarmente e verificata la potenza utilizzabile da essi (tramite ICs). Implementato sistema a basso assorbimento basato su microcontrollore ATmega16L, che gestisce una TX simulata. Il sistema implementato è in grado di gestire dei consumi di 30.6 mA per 62.5 ms ogni 8 secondi. Sviluppi futuri: studiare il V22B, implementare una trasmissione wireless reale.

Back-up Rectenna

Back-up TEG

Back-up Trasduttore piezoelettico 𝑓 𝑛 = 1 2π 𝐾 𝑚

Back-up Schema a blocchi del sistema finale: