Питаемся от сотовой сети. Отладочные наборы от Powercast

Окружающее нас пространство буквально наполнено энергией. Речь идет о фоновом радиоизлучении современных беспроводных систем: сотовой связи, Wi-Fi, 3G/ 4G модемов, цифрового телевидения и т. д. Мощность фонового излучения столь велика, что ее хватит для питания множества малопотребляющих устройств. Харвестеры от компании Powercast решают проблему сбора энергии радиоизлучения. Оценить все достоинства новой технологии можно уже сейчас с помощью отладочных наборов, о которых и пойдет речь в статье.

Рис. 1.	Распределение плотности энергии.

Современный мир невозможно представить без беспроводных технологий, таких, например, как сотовая связь или Wi-Fi. Радиоволны пронизывают окружающее пространство, являясь источником альтернативной энергии. Конечно, плотность фонового излучения неоднородна – в городах она максимальна, а в сельской местности может и вовсе отсутствовать. Однако если речь идет о городских условиях, то в них существует сразу несколько частотных диапазонов, пригодных для питания малопотребляющих систем. В первую очередь это сотовые сети, Wi-Fi, 3G/ 4G (Рис. 1).

Для сбора энергии фонового излучения требуются специальные приемники (харвестеры). Компания Powercast выпускает сразу два типа приемников P1110 и P2110 для работы с частотным диапазоном 850…950 МГц. Кроме того, к услугам разработчиков предлагаются модули PCC110/ PCC210, позволяющие реализовывать харвестеры для различных пользовательских диапазонов частот. Powercast также предоставляет средства разработки и отладки.

Харвестеры P1110 и P2110 реализованы в виде компактных модулей для поверхностного монтажа (Рис. 2). Они предназначены для работы с наиболее эффективным диапазоном частот сотовой связи 850…950 МГц и способны выдавать постоянный выходной ток до 50 мА (пиковый до 100 мА).

Рис. 2.	Харвестеры радиоизлучения от Powercast.

Харвестер P1110 имеет встроенный преобразователь RF-DC, заряжающий напрямую аккумулятор или запасающий конденсатор (Рис. 3). Выходное напряжение V_OUT составляет от 0 до 4.2 В и программируется внешним резистором. Таким образом, в составе конечного устройства могут использоваться Li-ion, LiPo, алкалиновые и другие типы аккумуляторов.

Харвестер P2110 предназначен для создания миниатюрных автономных датчиков с минимальным постоянным и импульсным потреблением. В составе P2110 присутствует встроенный повышающий преобразователь, благодаря которому выходное напряжение модуля может достигать 5.25 В (Рис. 3).

Рис. 3.	Внутренняя структура харвестеров радиоизлучения от Powercast.

Типовая схема автономного устройства с харвестером беспроводной энергии представлена на Рис. 4.

Рис. 4.	Блок схема беспроводного датчика с харвестером радиоизлучения.

Питание схемы обеспечивает приемник с RF-DC преобразователем. На его вход поступает сигнал с антенны, а на выходе он формирует постоянное напряжение. Это напряжение и используется для питания остальной части схемы.

К сожалению, в большинстве случаев одного харвестера будет недостаточно. Это связано с двумя факторами. Во-первых, уровень фонового излучения непостоянен. Во-вторых, большинство современных устройств отличается импульсным потреблением. Так, например, автономный датчик большую часть времени находится в режиме сна и практически ничего не потребляет, однако при выполнении измерений и передаче данных по радиоканалу его потребление существенно возрастает.

Чтобы сгладить эти пульсации, необходим накопитель энергии – аккумулятор/ конденсатор/ ионистор и т. д. В результате лишняя энергия не теряется, а сохраняется и используется в моменты ослабления радиосигнала и при пиковом потреблении автономного устройства.

Датчики P1110 и P2100 работают со стандартными 50 Ом антеннами. При этом типовая схема включения требует всего нескольких дополнительных компонентов (Рис. 5).

Рис. 5.	Типовая схема включения харвестера радиоизлучения P1110 от Powercast.

Тем не менее, при построении системы питания автономного датчика приходится решать множество проблем, в том числе согласовывать ВЧ элементы, разрабатывать печатные платы и т. д. Чтобы ускорить процесс ознакомления с новой технологией, компания Powercast предлагает использовать готовые отладочные платы и оценочные наборы. Например, отладочные платы P1110-EVB и P2110-EVB предназначены для сбора энергии фонового излучения в частотном диапазоне сотовой связи 915 МГц.

Отладочная плата P1110-EVB – отладочная плата для оценки работы P1110 (Рис. 6). Плата содержит модуль приемника, суперконденсатор 50 мФ, светодиод, два типа антенн (патч и диполь). С помощью переключателей выходное напряжение может быть установлено на 3.3 В или 4.2 В. Также существует возможность установки других напряжений с помощью подстройки резисторов R5 и R6.

На P1110-EVB распаян разъем 52601-G10-8LF (FCI). Он необходим для подключения плат расширения. При этом рекомендуется использовать ответный разъем SFH11-PBPC-D05-ST-BK (Sullins).

Отладочная плата P2110-EVB – отладочная плата для оценки работы P2110 (Рис. 6). Плата содержит модуль приемника, суперконденсатор 50 мФ, конденсатор 1000 мкФ, светодиод, два типа антенн (патч и диполь).

На P2110-EVB также распаян разъем 52601-G10-8LF (FCI) для подключения плат расширения.

Рис. 6.	Внешний вид отладочных плат P1110-EVBи P2110-EVB.

В комплекте с отладочными платами P1110-EVB и P2110-EVB поставляются дополнительные антенны двух типов патч (направленная) и диполь (полунаправленная) (Рис. 7). Антенна диполь дает 1.25 (1.0) дБ усиление и имеет направленность 360°. Патч-антенна дает усиление 4.1 (6.1) дБ и имеет направленность 122° по горизонтали и 68° по вертикали.

Рис. 7.	Опциональные антенны для отладочных наборов P1110-EVB и P2110-EVB.

Как было сказано выше, отладочные платы P1110-EVB и P2110-EVB оптимизированы для работы с частотным диапазоном сотовой связи 915 МГц. Однако это не единственный диапазон, пригодный для сбора энергии. Для работы с другими частотами следует использовать харвестеры PCC110/ PCC210. Для оценки возможностей PCC110/ PCC210 можно воспользоваться готовым отладочным набором P21XXCSR-EVB.

Отладочная плата P21XXCSR-EVB – позволяет начать работу с приемниками PCC110 и PCC210 с различными диапазонами частот:

• GSM-850 передача MTx от устройств к базовым станциям (836.5 МГц);
• Европейский RFID и GSM-850 передача от базовых станций BTx (879.5 МГц);
• ISM США и GSM-900 передача MTx от устройств к базовым станциям (904 МГц);
• GSM-1800 (1747.5 МГц);
• GSM-1900 передача MTx от устройств к базовым станциям (1880 МГц);
• Wi-Fi 2.4 GHz (2450 МГц).

Плата содержит харвестер PCC110 или PCC210, суперконденсатор 50 мФ, конденсатор 2200 мкФ, светодиод, шесть разъемов для подключения антенн указанных выше диапазонов. Сами антенны в комплект не входят.

Диапазон выходных напряжений для P21XXCSR-EVB составляет 2…5.5 В.

Рис. 8.	Внешний вид отладочной платы P21XXCSR-EVB.

Если разработчику требуется законченная отладочная платформа для системы беспроводного сбора энергии, ему следует воспользоваться наборами P1110-EVAL-01 и P2110-EVAL-01.

Демонстрационный набор P1110-EVAL-01 – законченная отладочная и демонстрационная платформа для создания систем сбора энергии фонового излучения. Сбор энергии производится в диапазоне частот 850-950 МГц. Таким образом, для питания может использоваться как излучение сотовой связи, так и излучение RFID.

В состав набора входят все необходимые элементы (Рис. 9):

• Передатчик TX-91502-ASSEMBLY – 4 Вт передатчик 915 МГц со встроенной антенной 8 дБ и разъемом питания.
• Передатчик TX91501-3W-ID – 4 Вт передатчик 915 МГц со встроенной антенной 8 дБ и двумя разъемами питания. Кроме того, передатчик посылает по информационному каналу свой ID, который может быть принят и обработан микроконтроллером на стороне харвестера.
• Отладочная плата P1110-EVB.
• Патч антенна PA-915-01.
• Дипольная антенна DA-915-01.
• Круглая палата харвестера с дисковым аккумулятором 100 мАч EVAL-FLEX1-PCB.
• Прямоугольная плата харвестера (форм-фактор кредитной карты) с аккумулятором EVAL-CC1-PCB.
• Две радиопередающих платы EVAL-RB1-PCB. Они получают информацию о состоянии аккумуляторов с плат харвестеров и передают их по BLE.

Рис. 9.	РОтладочный набор P1110-EVAL-01.

Демонстрационный набор беспроводных датчиков P2110-EVAL-01 – законченная демонстрационная и отладочная платформа для создания пассивных беспроводных сетей датчиков, работающих от энергии, получаемой от радиоизлучения (Рис. 10). Питание осуществляется от передатчика TX91501 (915 МГц), информационный канал передачи данных расположен на более высокой частоте 2.4 ГГц и использует протокол 802.15.4.

В состав набора входят все необходимые элементы:

• один передатчик TX91501-3W-ID;
• две платы P2110-EVB;
• две дипольные антенны 1 дБ;
• две патч-антенны 6 дБ;
• две дополнительных платы беспроводных датчиков WSN-EVAL-01, используемых для измерения температуры, влажности и освещенности. Эти модули расширения устанавливаются на отладочную плату P2110-EVB и посылают данные на плату точки доступа WSN-AP-01;
• плата точки доступа WSN-AP-01 – плата, построенная на базе микроконтроллера PIC24F, и используемая для приема данных от модулей расширения WSN-EVAL-01;
• программатор Microchip PICkit3.

Рис. 10.	Отладочный набор P2110-EVAL-01.

Посмотреть более подробно технические характеристики отладочных наборов Powercast