A különféle energiaforrások (pl. fény, szél, hőmérséklet, vibráció, rádióhullámok stb.) felhasználható energiává alakítását elviekben már kidolgozták, azonban továbbra is kihívást jelent megoldani, hogy a kinyert, rendkívül kis értékű energia hogyan használható fel valamely hasznos funkció megbízható ellátására, például egy szenzorban

Az 1. táblázat többféle energiabegyűjtési formát hasonlít össze, teljesítménysűrűség szerint rendszerezve.
A megoldás a felhasznált energiaforrásban, az alkatrészekben, valamint a teljesítményprofilokban van. Cikkünk tárgya, az RF-energia kinyerhető a környezetből vagy dedikált adóvevőből is, az efféle energiáról működő eszközök pedig kötetlenül, gyakorlatilag bármilyen környezetben működhetnek.

A rádiófrekvencia mint energiaforrás

A rádiófrekvenciás energia kinyerhető olyan forrásokból, mint sugárzott televízió- és rádióadás, mobiltelefonok, bázisállomások, nem engedélyköteles adóállomások (pl. a 915 MHz-es, 868 MHz-es, vagy 2,4 GHz-es frekvenciasávokban), ezáltal világszerte problémamentesen alkalmazható. Az RF-alapú források rendelkezésre állás tekintetében napszaktól függetlenek, nem szükséges bármilyen természeti erő (pl. szél, hőmérséklet stb.) jelenléte, valamint az adóforrás hatókörzetén belül szabad mozgást tesz lehetővé. Az energia közvetítése folyamatos lehet, de történhet ütemezetten, vagy igény esetén felépített kapcsolattal is, továbbá a konvertált RF-energia újratölthető telepben, vagy szuperkondenzátorban el is tárolható a működési feltételek biztosítására a csúcsvagy különleges időszakokban is.

Az energiahatékonyságot biztosító alkatrészek
A kényelmesen felhasználható és megbízható energiaforrás kiválasztása csak az első lépés, amelyet a megfelelő, maximálisan hatékony energiafelhasználású rendszer megtervezése követ. Ez a feladat a lehető legalacsonyabb energiafelhasználású alkatrészek beépítésével és/vagy teljesítmény-kiegyensúlyozással valósítható meg.
A kis fogyasztású, hatékony energiamenedzsment-tulajdonságokkal rendelkező, elektronikai alkatrészek iránti igény mögött a kisméretű mobileszközök iránti, növekedő piaci kereslet áll. Ennek a trendnek rengeteg, kiváló energiahatékonyságú mikrokontrollert, analóg áramkört/alkatrészt, rádiót, valamint kommunikációs protokollt köszönhetünk, amelyek mind kiváló kellékei lehetnek az RF-es energiabegyűjtésnek. Manapság az alacsony energiaigényű működési módok a fejlett mikrokontrollerek alaptudásába tartoznak: a Microchip-féle PIC24F-sorozatú, XLP ("eXtreme Low Power") technológiás mikrovezérlők áramfelvétele alvó állapotban például csupán 20 nA, kódvégrehajtásra pedig 8 µA áramfelvétel mellett képes.
Egy energiabegyűjtéssel működtetett, környezeti szenzorhoz analóg és rádiós alkatrészekre is szükség van. A rádiós rész a kommunikációs protokoll, valamint az adási/vételi (Tx/Rx) állapotra jellemző, magasabb energiaigény miatt bővíti a rendszer energiaigényét. Az új rádiós megoldások fejlesztői azonban felismerték ezt a problémát, és az új termékeknél már akár 3 mA vételi áramerősség is elérhető, a meghatározó ezáltal a vezeték nélküli kommunikációt lebonyolító protokoll.

A teljesítmény kiegyensúlyozása
A hosszú végrehajtási idő és a feleslegesen túlkomplikált, vezeték nélküli kommunikációs protokollok jelentős mértékben pocsékolják a szűkösen rendelkezésre álló energiát. Az egyik legfontosabb a tervezés során, hogy olyan protokollt válasszunk, amely támogatja a testreszabhatóságot, az alkalmazás egyedi igényeihez való hozzáigazítást. A Microchip-féle MiWi protokoll például támogatja az abszolút minimalista implementációt, amellyel akár 5 ms ideig tartó, rádiós adási idő is elérhető.
További fejlesztési potenciált rejt a töltésalapú végrehajtáson alapuló teljesítménymenedzsment, valamint a töltöttségi állapot monitorozása. Töltésalapú végrehajtásnál a szenzorról a tápellátás teljes leválasztásra kerül, az RF-es energiabegyűjtő pedig végzi a dolgát, és folyamatosan utántölti a rendszer energiatárolóját, mialatt energiafogyasztás nem történik. A szenzor végrehajtó motorjának frekvenciája függ az energiatároló töltöttségi szintjétől, a teljes folyamatot pedig befolyásolja az RF-forráshoz mért távolság, a vevőantenna, a terepakadályok (pl. falak). Végezetül, a vételi jelerősség-indikátor (RSSI - Received Signal Strength Indicator) felhasználható az adási sebesség/gyakoriság vezérlésére annak érdekében, hogy elkerüljük a hálózat elárasztását szükségtelen adatcsomagokkal.
Ha az RF-es energiabegyűjtő energiatárolót tölt, a mikrokontrollerrel monitorozható a töltési ciklus hossza, valamint megbecsülhető a töltöttség állapota. A vezérlő az elvégzendő szenzorműveletek ismeretében (amelyeket részben a különféle működési állapotok során rögzített adatokból nyerhet ki) ezek alapján kiszámíthatja a rendelkezésre álló futási időt. (Pl. egy szenzorkimenetet mérő szenzorcsoport áramfelvétele 100 µA lehet, amely adatok továbbítása közben az áramfelvétel 20 mA-re nő meg. A mikrokontroller ezen információ birtokában meg tudja becsülni, hogy minden alkalommal, amikor ezek a műveletek végrehajtásra kerülnek, mennyivel csökken az energiatároló töltöttségi szintje. A töltöttségi állapot így a töltési és kisülési állapotok összehasonlításával határozható meg. Ezzel a módszerrel a szenzor adásainak gyakorisága csökkenthető is a töltöttségi állapot alapján, sőt vészüzenet is küldhető az RF-es energiabegyűjtőnek, amelyben a szenzor több energiát igényel a megbízható működéshez.)

Az energiabegyűjtés gyakorlati megoldása
Az RF-es energiabegyűjtés számtalan alkalmazáshoz ideális megoldás, és fiatal kora ellenére kiváló platformja a prototípus-építésnek is. A telepről működtetett szenzorok az arra alkalmas alkatrészekkel kiválthatók, megvalósítva a teljesítmény-kiegyensúlyozást is. Az RF-alapú energiabegyűjtés vezérlési lehetőséget ad a forrás felett, gyakorlatilag tetszőleges környezetben működőképes, és elméletben nincs akadálya a tömeges elterjedésének sem.
Az RF-energiabegyűjtés kipróbált és megbízhatónak bizonyult megoldás, amely megfelel a környezeti és CSR-követelményeknek, gazdaságilag életképes alternatíva, robusztusságára pedig jellemző, hogy se a Napnak, se a szélnek, se egyéb, hasonlóan megjósolhatatlan és bizonytalan rendelkezésre állású, természeti erőnek nincs kitéve.

A Microchip honlapja