Система электроснабжения маломощных потребителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

им. А. Н. ТИХОНОВА

Система электроснабжения маломощных потребителей

Выпускная квалификационная работа

студентов образовательной программы бакалавриата

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Студенты:

Гончаров Николай Андреевич, группа БИТ 163

Энбом Алина Игоревна, группа БИТ162

Руководитель К.т.н., доцент департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ,

И. А. Иванов

Москва 2020 г.

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу бакалавра

студенту группы БИТ-162 Энбом Алине Игоревне

Тема работы

Система электроснабжения маломощных потребителей

Требования к работе

Характеристики используемых источников энергии:

солнечная панель, вырабатываемая мощность 0.1-0.25 Вт/см2, уровень выходного напряжения 2-5 В, выходной ток порядка 100мА;

ветрогенератор, вырабатываемая мощность 0.123-0.153 Вт/см2, уровень выходного напряжения 2-5 В, выходной ток порядка 100мА;

Характеристики используемых потребителей энергии:

цифровой датчик температуры и влажности, уровень напряжения питания 3-5 В, потребляемый ток 32 мА;

Raspberry Pi, уровень напряжения питания 3.3 В, потребляемый ток в режиме расчета 2.8 мА, потребляемый ток в режиме сна 1.3 мкА;

Характеристики и уровни емкости используемой аккумуляторной батареи: Ni-MH заряжаемая аккумуляторная батарея, напряжение при 100% заряда 1.2 В, емкость 1000 мА*ч;

Используемые технологии: схемотехническое проектирование,

электрическое моделирование, трассирование, метод Делфи, программирование;Используемое программное обеспечение: САПР LTspice, САПР

MicroCap, САПР Dip Trace, ОС Raspberry OS, интегрированная среда разработки для Python Thonny, пакет библиотек для Python PIP, ОС Unix;

Содержание работы

Итоговый вариант работы должен содержать следующие разделы:

аннотацию на русском и английском языках;

введение с обоснованием актуальности темы и постановкой целей и задач;

раздел, содержащий аналитический обзор характеристик и особенностей беспроводных сенсорных сетей, понятие, методы, этапы проектирования и моделирования электрических схем, преимущества и возможности использования альтернативной энергии анализ электрических параметров электронных устройств, входящих в систему;

раздел, описывающий разработку структурной и электрической схем контроллера заряда АКБ, выбор комплектующих элементов, а также топологию печатной платы контроллера заряда АКБ;

раздел, описывающий разработку программы управления и схемы взаимодействия;

описание личного вклада авторов работы;

список сокращений;

заключение;

список используемой литературы;

приложение.



АННОТАЦИЯ

В последние годы беспроводные сенсорные сети стали областью активных исследований для многих компаний, которые пытаются сделать беспроводные устройства гибкими, эффективными и энергонезависимыми. Однако современные решения не могут полностью обеспечить бесперебойное электропитание для каждого устройства из-за проблем с их доступностью для настройки и ремонта. В настоящее время активно ведутся разработки в области альтернативной энергетики, что может позволить заменить стационарные источники питания, обеспечивающие работу беспроводных модулей, на средства преобразования альтернативной энергии, например энергии солнечного света и ветра.

В данной выпускной квалификационной работе будет изучена проблема обеспечения энергонезависимости элементов беспроводной сенсорной сети. Будет проведен обзор технической литературы, будет выполнена разработка и моделирование электрической схемы контроллера заряда АКБ от альтернативных источников энергии для маломощных потребителей, изготовлена цифровая модель платы этого электронного устройства. Также будет разработан алгоритм эффективного расходования полученной энергии и работы приемопередающего устройства.



ABSTRACT

Recently, the concept of wireless sensor network is a popular topic of research for plenty of corporations trying to make their wireless devices more elegant. However, it may not be possible to repair or configure those devices on constant basis, therefore, they need a suitable supply decision. Recently, developments in the field of alternative energy have begun, which make it possible to replace the stationary power supplies of wireless modules with environmental energy converting devices, namely solar panels and wind generator.

In this paper, the problem of ensuring the non-volatility of the elements of a wireless sensor network will be studied. The analysis of technical literature will be made and the electrical circuit of the battery charge controller from alternative energy sources for low-power consumers will be developed and simulated, moreover a digital model of the circuit board of this electronic device will be manufactured. An algorithm for the efficient use of the received energy and the operation of the transceiver will also be developed.



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АА элемент	Аккумулятор с номинальным напряжением 1,2 В (для Ni-MH аккумуляторов)
АКБ	Аккумуляторная батарея
БД	База данных
БСС	Беспроводная сенсорная сеть
КПД	Коэффициент полезного действия
ОС	Операционная система
САПР	Система автоматизированного проектирования.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Общие сведения о беспроводных сенсорных сетях

1.2 Топология БСС

1.3 Питание беспроводных модулей

1.4 Обзор преобразователей энергии

1.5 Обзор маломощных потребителей

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЛЕРА ЗАРЯДА АКБ

2.1 Разработка структурной схемы

2.2 Разработка электрической принципиальной схемы контроллера для зарядки аккумуляторов от альтернативных источников энергии для маломощных потребителей

2.3 Выбор комплектующих элементов

2.4 Разработка топологии печатной платы контроллера

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ И СХЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

3.1 Принцип работы питаемого устройства

3.2 Алгоритм отправки данных

3.3 Рабочая реализация алгоритма передачи

3.4 Рабочая реализация работы приёмника

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2



ВВЕДЕНИЕ

Сегодня автоматизация технологических процессов - это важнейшая задача для современного производства. Выполнение многих операций переходит от человека к автоматизированным системам и это позволяет повысить скорость и эффективность работы. В современном мире вместо дорогостоящих кабелей и большого количества вспомогательного оборудования используются Беспроводные Сенсорные Сети (БСС). Они состоят из большого количества датчиков, способных ретранслировать информацию от одного узла к другому по каналу цифровой связи и покрывать достаточно большую территорию.

Однако при использовании БСС компании сталкиваются с проблемой обеспечения питания каждого из элементов таких систем. Аккумуляторные батареи и другие стационарные источники питания не могут удовлетворить потребности беспроводных сетей из-за сложности контроля заряда каждого питающего элемента, а также необходимости периодически менять их.

Источники энергии находятся в окружающей среде, и сегодня существует множество эффективных методов преобразования природной энергии. Таким образом, оптимальным решением проблемы заряда является создание и использование долговечного источника питания, не требующем замены.

В данной дипломной работе применение беспроводной сенсорной сети рассматривается на примере системы мониторинга в прецизионном сельском хозяйстве.

Концепция прецизионного (точного) земледелия существует уже давно. Блэкмор в 1994 году [1] определил его как комплексную систему, предназначенную для оптимизации сельскохозяйственного производства путем тщательной адаптации почв и управления сельскохозяйственными культурами в соответствии с уникальными условиями, обнаруженными на конкретном поле, при сохранении качества окружающей среды.Беспроводные сенсорные сети - это один из перспективных инструментов для сельскохозяйственного применения, позволяющий повысить производительность на единицу затраченных ресурсов и обеспечить снижение себестоимости единицы продукции. В настоящее время цены на семена, удобрения, оборудование, средства защиты растений и другие средства производства в сельском хозяйстве растут. Это приводит к необходимости повышения эффективности их использования. [2]

Повсеместный характер работы и самоорганизация небольших узлов позволяют использовать БСС в качестве потенциального инструмента для достижения цели автоматизации в сельском хозяйстве. Большое внимание уделяется одной из наиболее важных систем управления сельским хозяйством, которая учитывает изменчивость среды обитания растений в полевых условиях. Эта система предоставляет передовые средства регистрации и сбора данных для мониторинга технологического процесса и оценки производительности, автоматизации и интеллектуализации принятия решений.

Современные технологии позволяют снизить стоимость миниатюрных датчиков с низким энергопотреблением и возможностью извлечения энергии из окружающей среды, сохраняя при этом необходимую функциональность. Архитектура сенсорной сети зависит от многих факторов, таких как отказоустойчивость, рабочая среда, масштабируемость, производственные затраты, аппаратные ограничения, средства передачи и энергопотребление.

Каждый элемент сети представляет собой датчик, который используется для регистрации и контроля таких параметров, как температура, влажность, влажность почвы, кислотность почвы, атмосферное давление и освещенность и другие характеристики, а также приемопередатчик, передающих информацию в контрольный пункт для дальнейшей обработки системой или оператором. Для питания такого элемента как правило требуется небольшая мощность, однако обеспечить подачу питания с постоянного источника энергии практически невозможно из-за удаленности точек контроля от населенных пунктов. Часто используются небольшие стационарные источники питания (аккумуляторы, батареи), которые способны обеспечить питание датчика и приемопередатчика, однако не всегда рассчитаны на использование в суровых климатических условиях и могут выйти из строя, а часто менять их проблематично и нерентабельно. Решением могут стать устройства сбора и переработки энергии окружающей среды в электрическую энергию. Такие устройства миниатюрны, не требуют постоянного контроля и больших затрат на обслуживание, экологичны, а главное, могут обеспечить бесперебойное питание маломощных устройств. Далее в работе будет приведено описание функционала и преимуществ использования системы электроснабжения маломощных потребителей от источников альтернативной энергии.

Исходя из актуальности использования беспроводных сенсорных сетей и проблемы обеспечения питания их элементов была поставлена следующая цель выпускной квалификационной работы: создать макет системы, преобразующей энергию природных источников в стабильное напряжение и обеспечивающей стабильную работу датчика и приемопередающего устройства.

Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:

Изучить техническую литературу по теме использования альтернативной энергии при обеспечении электроснабжения маломощных потребителей

Разработать электрическую принципиальную схему контроллера для зарядки аккумуляторов от альтернативных источников энергии для маломощных потребителей

Разработать топологию печатной платы контроллера

Запрограммировать алгоритм расходования энергии АКБ с помощью модуля LoRa

Изготовить рабочий макет системы, состоящей из контроллера

заряда АКБ, АКБ, контроллера расхода заряда

Провести эксперименты с разработанным макетом в лабораторных условиях с использованием солнечных батарей, ветрогенератора, датчика и приемопередатчика

Структура работы подразделяется на введение, три главы в основной части и заключение.

Первая глава содержит в себе аналитический обзор литературы по тематике использования беспроводных сенсорных сетей, их методов и алгоритмов, современные системы и их применение в промышленности.

Во второй главе описан процесс разработки системы: приведено описание характеристик и причин выбора элементов преобразования энергии и электронных компонентов, описание основных пункты разработки принципиальной электрической схемы контроллера заряда АКБ и ее печатной платы, а также принцип и алгоритм работы контроллера расхода заряда АКБ.

Третья глава описывает архитектуру потребляемого устройства: модель системы из микроконтроллера, модуля LoRa и датчиков, питаемой энергией заряжаемого аккумулятора, ее основные характеристики и возможности использования.



ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Общие сведения о беспроводных сенсорных сетях

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) -- распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков и исполнительных устройств, которые объединены между собой с помощью радиоканала. Область, покрываемая такой сетью, может составлять от нескольких метров до нескольких километров, что достигается за счёт способности ретрансляции сообщений от одного узла к другому. БСС измеряют параметры окружающей среды, такие как температура, звук, уровень загрязнения, влажность, ветер и т. д. [3].

БСС аналогичны беспроводным специальным сетям: они используют беспроводное соединение и самопроизвольное формирование сетей, так что данные с датчиков могут передаваться беспроводным способом. Впервые беспроводные сенсорные сети было применены в военных целях, например при наблюдении за полем боя; сегодня такие сети используются во многих промышленных и бытовых приложениях.

Беспроводные сенсорные сети состоят из нескольких единиц или даже нескольких тысяч «узлов», каждый из которых связан с одним или несколькими датчиками. Узел БСС как правило состоит из нескольких частей: радио приёмопередатчик с внутренней антенной или соединенный с внешней антенной, микроконтроллер, электронная схема для взаимодействия с датчиками и источником энергии, обычно аккумулятором или встроенной формой сбора энергии. [4].

По состоянию на 2019 год беспроводные сенсорные сети достигли примерно 30 млрд удаленных устройств по всему миру.

Применение

1. Мониторинг территории

БСС разворачивают в области мониторинга, где необходимо отслеживать некоторые явления, например инциденты на газо- или

нефтепроводах или в военных целях для обнаружения вторжения противника.

Мониторинг здоровья

В медицинских целях используются разные виды БСС : носимые, которые используются на поверхности тела или в непосредственной близости от пользователя, имплантируемые, которые вводятся в организм человека, и встроенные во внешнюю среду. Такие элементы БСС могут собирать информацию о здоровье, физической форме и расходах энергии человека [5].

Мониторинг загрязнения воздуха и качества воды

БСС применяются для отслеживания состояния воздуха в европейских городах. Они контролируют концентрации опасных газов в воздушном пространстве. Использование беспроводных распределенных датчиков для анализа свойств воды в реках, озерах и океанах, а также запасов подземных вод позволяет создавать более точную карту состояния воды. Также свойства БСС позволяют размещать станции мониторинга в труднодоступных местах без необходимости вмешательства человека в сбор данных [6].

Обнаружение лесных пожаров

Устройства, расположенные в лесных массивах, обычно оснащены датчиками температуры, влажности и газов, которые образуются в результате пожара. Раннее обнаружение очагов возгорания имеет решающее значение для успешного тушения; благодаря БСС пожарная служба может узнать, когда начался пожар и как он распространяется.

Предотвращение стихийных бедствий

БСС эффективно применяются для предотвращения неблагоприятных последствий стихийных бедствий. Элементы сетей были установлены в реках, где изменения уровня воды контролируются в режиме реального времени.

Промышленный мониторинг

Беспроводные сенсорные сети используются для технического обслуживания оборудования. Они позволяют экономить средства и предоставляют широкую функциональность [7].

Беспроводные датчики могут быть размещены в труднодоступных местах, таких как вращающиеся механизмы и автопилотируемые транспортные средства.

Характеристики

Основные характеристики БСС [8]:

Ограниченное потребление узлами, использующими непостоянные источники энергии.

Вариативность в выборе последующего узла передачи

Возможность расширения числа узлов

Сохранение функционирования в экстремальных параметрах

среды

Простота использования

Узлы БСС можно представить в виде небольших компьютеров. Такие компьютеры являются базовыми с точки зрения их интерфейсов и их компонентов.

Базовые станции являются шлюзом между датчиками и конечными пользователями, так как они обычно пересылают данные из БСС на сервер. Другими специальными компонентами в таких сетях являются маршрутизаторы, предназначенные для вычисления и распределения таблиц маршрутизации.

Платформы

1. Аппаратные средства

Одной из основных задач в БСС является производство недорогих и миниатюрных сенсорных узлов. Для внедрения сенсорной сети также характерно использование методов с крайне низким энергопотреблением.

В большинстве случаем БСС связывается с локальной сетью или глобальной сетью с помощью шлюза. Шлюз применяется как мост между БСС и другой сетью что позволяет хранить и обрабатывать данные устройствами с большим количеством ресурсов. Беспроводная глобальная сеть, используемая в основном для устройств с низким энергопотреблением, известна как глобальная сеть с низким энергопотреблением.

Беспроводная связь

Существует несколько беспроводных стандартов и решений для подключения сенсорных узлов. Thread и ZigBee могут подключать датчики, работающие на частоте 2,4 ГГц со скоростью передачи данных 250 кбит/с. Рабочая группа IEEE 802.15.4 предоставляет стандарт для подключения устройств с низким энергопотреблением, и обычно датчики и интеллектуальные счетчики используют для подключения один из этих стандартов. С появлением Интернета вещей появилось много других предложений по обеспечению подключения датчиков. LoRa -- это разновидность сети, которая обеспечивает беспроводное соединение с низким энергопотреблением на больших расстояниях для устройств, которое используется в интеллектуальных счетчиках. Wi-SUN подключает устройства в составе «умного дома». NarrowBand IOT и LTE-M могут подключать до миллионов датчиков и устройств с использованием сотовой технологии [9].

Программное обеспечение

БСС применяются в различных средах, в том числе в удаленных регионах, и иногда используют большое количество узлов. Поэтому алгоритмы и протоколы БСС должны решать следующие проблемы:

Увеличение продолжительности жизни

Самоконфигурация

Надежность

Отказоустойчивость

Потребление энергии каждого узла должно быть минимальным, работа датчиков должна быть энергоэффективной, так как их ресурс энергии ограничен и определяет срок их службы. Для экономии энергии беспроводные сенсорные узлы обычно включают «спящий режим» радиопередатчика и радиоприемника, когда они не используются.

Протоколы маршрутизации

Беспроводные сенсорные сети состоят из энергоэффективных, малогабаритных и низкочастотных сенсорных узлов. Путем периодического включения и выключения сенсорных и коммуникационных возможностей сенсорных узлов можно значительно сократить время активности и, таким образом, продлить срок службы сети [10]. Однако, эта циклическая нагрузка может привести к большим задержкам в сети, расходам на маршрутизацию и задержкам из-за асинхронного ожидания и планирования пробуждения.

Операционные системы

Операционные системы, используемые для узлов БСС обычно не очень сложны. Могут быть использованы встроенные ОС, такие как eCos или uC /

OS.

TinyOS: первая ОС, разработанная специально для БСС. Она базируется на модели программирования, основанной на событиях;

RIOT: ОС реального времени, функциональность аналогична Contiki;

Contiki: ОС, использующая простой стиль программирования на C, поддерживает 6LoWPAN и Protothreads;

LiteOS: ОС, которая обеспечивает UNIX-подобную абстракцию и поддержку языка программирования C;

PreonVM: ОС для БСС, предоставляющая 6LoWPAN на основе Contiki и поддерживающая язык программирования Java.

Онлайн-платформы для совместной работы с датчиками

Онлайн-платформы представляют собой базы данных (БД), которые

позволяют подключать различные датчики для передачи данных в онлайн БД для хранения, а также позволяют разработчикам подключаться к БД и создавать приложения на основе этих данных.



1.2 Топология БСС

Топология - это расположение узлов БСС относительно друг друга в зоне обслуживания. Различные топологии беспроводной сенсорной сети: шина, дерево, звезда, кольцо, mesh-топология, круговая и сеть. В данной работе будет рассматриваться случай использования топологии БСС «кластерное дерево».

Топология БСС кластерное дерево является реализацией схемы опроса «координатор - дерево узлов сети» (рисунок 1) [11]. В такой сети данные передаются по схеме «вышестоящий узел - нижестоящий узел» по ветвям дерева. Недостатком такой топологии является невозможность изменения направления передачи данных в сети при выходе из строя маршрутизатора одной из ветвей кластерного дерева и, как следствие, отключение нижестоящих узлов всей ветки или ее части.

Рисунок 1 - Топология беспроводной сенсорной сети кластерное дерево

При такой топологии используется центральный элемент, называемый корневым узлом, в качестве основного маршрутизатора связи. В тракте сенсорной сети может быть один или несколько переходов, узелов-датчиков для получения данных, который считывает параметры окружающей среды и отправляет их на приемник. Важно выбрать оптимальное дерево, более подходящее для распределенной реализации, и обеспечить кратчайший путь с максимальным временем жизни и короткой задержкой.

1.3 Питание беспроводных модулей

Методология проектирования источников питания уже была описана во многих научных работах, в т. ч. за последние несколько лет [12][13][14]. Было создано большое количество разнообразных средств компьютерного моделирования электрических, тепловых и механических процессов, таких как MicroCap, MultiSim, SolidWorks, ANSYS, АСОНИКА и многие другие. Однако вопросу проектирования устройств электропитания маломощных потребителей с использованием альтернативных источников энергии уделено крайне мало внимания. Таким образом, задача создания метода проектирования устройств автономного электропитания БСС является своевременной и актуальной и имеет все предпосылки для ее решения.

Для зарядки маломощных устройств часто используется NiMH аккумуляторная батарея. Никель-металлогидридная батарея, сокращенно NiMH, является типом перезаряжаемой батареи.

Правильная зарядка NiMH аккумуляторов является ключом к поддержанию их производительности. Знание того, как правильно заряжать их, обеспечит высокий уровень производительности и увеличит срок службы. Методы заряда NiCd аккумуляторов можно разделить на 4 типа:

стандартный заряд: заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение ~ 15 часов;

ускоренный (дельта V заряд): заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при постоянно измеряющемся напряжением на аккумуляторе, заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда ~ 1 час;

быстрый заряд: заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение ~ 5 часов;

реверсивный заряд: импульсный заряд, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

В рамках данной работы был выбран стандартный (медленный) метод заряда. Этот метод подразумевает заряд током приблизительно равным 50 мА в течение ~ 15 часов. При таком токе существует возможность предпринимать меры для уменьшения тока после достижения полного заряда.

Во время заряда напряжение на элементе аккумулятора повышается, а после окончания заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться.

1.4 Обзор преобразователей энергии

Областью нашей разработки является именно контроллер заряда АКБ. Однако для того, чтобы корректно описать алгоритм его действия и спроектировать его принципиальную схему, нам необходимо понять величину входящих и выходящих мощностей. Для этого мы составили сводную таблицу всех существующих на рынке преобразователей энергии.

Из всех видов окружающей энергии мы выделили четыре самых доступных - это солнечная, ветряная, вибрационная и тепловая. Каждый из них мы описали по следующим критериям (таблица 1):

Тип (бытовые/промышленные, внутри/вне помещений);

Примеры систем, применение;

Вырабатываемая мощность (учитывая КПД);

Габариты;

Физика процесса.

Таблица 1. Преобразователи энергии

Вид энерги и	Тип	Примене ние	Вырабатываема я мощность	Габариты	Физика процесса
Солнеч ная	бытовые и промышл енные, вне помещен ий	калькулят ор на фотоэлем ентах	0,1 - 0,25 Вт/см2	площадь порядка см2	При освещении внутренний фотоэффект в неоднородных полупроводниках создает ЭДС Неоднородность полупроводника получается легированием, или соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны
Ветрян	бытовые	туристиче	От 0,123 Вт/см2	высота:	Лопасть крутится за
ая	и	ские	(летом при +35)	~ 90 см	счет
	промышл	портативн	до 0,153 Вт/см2	длина	закруглений, в
	енные,	ые	(зимой при -25)	лопастей:	которых
	вне	ветрогене	для умеренного	~ 35 см	создается вакуум и
	помещен	раторы	ветра 6 м/с		уводит её в сторону
	ий		(мощность		Крутится лопасть
			пропорциональн		вместе
			а		с ротором, на
			кубу скорсти		котором закреплены
			ветра)		магниты,
Вибрац	промышл	монитори	для вибрации	от:	Генератор
ионная	енные,	нг в	порядка Гц: 10 -	20х5х1 мм	электроэнергии из
	внутри и	системах	20 мВт/м2	до:	вибраций обычно
	вне	безопасно		80х14х3	состоит
	помещен	сти	для вибрации	мм	из резонатора,
	ий	и	порядка кГц: 2 -		усиливающего
		промышл	4 Вт/м2		вибрации, а также
		енных			преобразователя
		сетях			энергии этих
		сбора			вибраций в
		данных;			электроэнергию,
		датчики			используя закон
		систем			электромагнитной
		обслужив			индукции Фарадея
		ания;			либо
		датчики в			пьезоэлектрический
		нефте- и			эффект.
		газопрово
		дах;			Преобразователь
		применен			обычно состоит
		ие в			из магнита с катушкой
		качестве			либо
		замены			пьезоэлемента.
		батарейно
		го и
		проводно
		го
		питания в
		маломощ
		ных
		системах.
Теплов	в быту, в	Питание	~10 мкВт/К -	длина	Температурный
ая	промышл	космичес	мощность	электрода:	градиент в
	енности,	ких	на кельвин	опциональ	токопроводящем
	внутри-	аппаратов	разницы	но	материале
	вне	;	температур	ширина:	вызывает тепловой
	помещен	Утилизац		порядка см	поток;
	ий	ия тепла
		элементов			Это приводит к
		выхлопно			переносу
		й			носителей заряда.
		системы;			Поток
		Автомати			носителей заряда
		ческие			между
		маяки;			горячими и
		Навигаци			холодными областями
		онные			создает разность
		буи;			потенциалов.
		Метеоста
		нции;
		Активные
		ретрансля
		торы

Проанализировав полученную информацию, мы определили, что наиболее целесообразным вариантом было бы разбить источники на две группы: солнечная и ветряная энергия, тепловая и вибрационная энергия. Мощности энергий обоих видов и двух этих группах примерно равны, а значит контроллер сможет работать от обоих одновременно. Также эти источники сгруппированы по габаритам, области применимости и перспективности.

Далее мы более подробно рассмотрели преобразователи каждого вида энергии окружающей среды.

Для преобразователей солнечной энергии мы выделили следующие критерии:

Наименование;

Частота;

Емкость нагрузки;

Прилагаемая мощность;

Цена;

Где купить.

Для преобразователей энергии ветра мы выделили следующие критерии:

Наименование;

Скорость вращения вентилятора об/мин;

Питание вентилятора от блока питания;

Потребляемое напряжение вентилятора;

Потребляемая сила тока вентилятора;

Потребляемая мощность вентилятора;

Цена;

Где купить.

Исходя из полученных значений мы сделали вывод, что контроллер заряда АКБ должен получать на входе ток порядка 100мА и напряжение 5 В.

1.5 Обзор маломощных потребителей

Далее был выполнен анализ маломощных потребителей, питание которых осуществляется с помощью АКБ (таблица 2). Были рассмотрены следующие элементы:

Датчики света;

Датчики движения;

Датчики температуры;

Датчики влажности;

Датчики давления.

Таблица 2. Маломощные потребители

Контролируемый показатель	Параметры	Примеры систем	Г абариты
Свет	Напряжение питания: .3.3 В; Рабочий ток: 12...20 мкА; Чувствительность: .530 мкВ; Максимальный диапазон обнаружения: 2 м (25 X). Особенности: Низкое энергопотребление;	Бытовые приборы; управление домашней автоматикой, индикация качество рабочей среды, контроль освещения	15.1 мм x 25.1 мм x 7.7 мм
Движение	Напряжение питания: .3.3 В; Рабочий ток: 12...20 мкА; Чувствительность: .530 мкВ; Максимальный диапазон обнаружения: 2 м (25 X). Особенности: Низкое энергопотребление; Совместим с Grove интерфейсом; Регулировка чувствительности.	системы охранной сигнализации, мониторинг присутствия посетителей, переключатели света и роботы	20 х 20 х 12 мм
Температура	Разрешение: 0.1 °C; Точность: ± 0.5 °C; Диапазон измерения: от -40 до 80 °C. Рабочее напряжение: 3.3 ... 5.5 В Входное напряжение: 3.3 В или 5 В; I/O напряжение: 3.3 В или 5 В; Рабочий ток: 0.4 мА; Рабочая температура: - 40...+85 С; Диапазон измерения температуры: -40...+85 С ± 1.0 °С;	Бытовые приборы; управление домашней автоматикой, индикация качество рабочей среды, контроль отопления, вентиляция, кондиционирование воздуха (HVAC), индикация вертикальной воздушной скорости	15.1 мм x 25.1 мм x 7.7 мм 40 x 20 мм
Влажность	Разрешение: 0.1 %RH;	Метеорологическое	15.1 мм x 25.1
	- Точность: ± 2 %RH	оборудование	мм x 7.7 мм
	(25°С);	сушильные камеры;	40 x 20 мм
	- Диапазон измерения:	рефрижераторы;
	от 0%RH до 99.9%RH.	системы контроля
	Рабочее напряжение:	климата в производстве
	3.3 . 5.5 В;	и быту;
	Входное напряжение:	управление домашней
	3.3 В или 5 В;	автоматикой, индикация
	- I/O напряжение: 3.3	качество рабочей среды,
	В или 5 В;	контроль отопления,
	- Рабочий ток: 0.4 мА;	вентиляция,
	Рабочая температура: -	кондиционирование
	40...+85 С;	воздуха (HVAC),
	Диапазон измерения	индикация вертикальной
	влажности: 0... 100%	воздушной скорости
	Rh ± 3%;
Давление	рабочее напряжение	работа в системах	диам.36х103мм
	питания от 3,2 до 3,6В	автоматического	40 x 20 мм
	с потребляемой	контроля, регулирования
	мощностью не более 8	и управления
	мВт.	технологическими
	Входное напряжение:	процессами;
	3.3 В или 5 В;	управление домашней
	- I/O напряжение: 3.3	автоматикой, индикация
	В или 5 В;	качество рабочей среды,
	- Рабочий ток: 0.4 мА;	контроль отопления,
	Рабочая температура: -	вентиляция,
	40...+85 °С;	кондиционирование
	Диапазон измерения	воздуха (HVAC),
	атмосферного	индикация вертикальной
	давления: 300...1100	воздушной скорости
	гПа ± 1.0 гПа;

Каждый из этих потребителей рассматривали согласно следующим критериям:

Контролируемый показатель;

Параметры (рабочее напряжение, потребляемый ток, мощность, диапазон температур);

Примеры систем;

Габариты.

Исходя из полученных значений мы сделали вывод, что контроллер заряда АКБ должен обеспечивать напряжение около либо 5, либо 3.3 В и ток порядка десятков мА [16].



ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЛЕРА ЗАРЯДА АКБ

2.1 Разработка структурной схемы

Условно говоря, работу системы преобразования энергии можно изобразить в виде блок схемы (рисунок 2). Каждый из ее элементов выполняет определенную функцию.

Рисунок 2 - Блок-схема питания устройства

Внешним источником природной энергии может являться солнце, ветер, механические вибрации, нагретое тело или среда и так далее. Такой источник излучает небольшое количество энергии, которую преобразователь (например, солнечные батареи, ветрогенератор, пьезо -элемент или термопара) может преобразовать в полезную электрическую энергию, т. е. электрический ток. Преобразованная энергия поступает на контроллер заряда АКБ, который по заданному алгоритму разрешает или запрещает зарядку аккумулятора. Можно сказать, он является аналогом стандартного адаптера, а также поддерживает необходимую мощность на входе. Также контроллер разрешает или запрещает подавать энергию на питаемое устройство (датчик или приемопередатчик, в данном случае), в зависимости от уровня заряда АКБ [15].



2.2 Разработка электрической принципиальной схемы контроллера для зарядки аккумуляторов от альтернативных источников энергии для маломощных потребителей

Принципиальная схема -- это схема, позволяющая понять, как работает устройство, как его компоненты соединены друг с другом. Нужно отметить, что принципиальная схема не показывает корректного взаимного расположения элементов на плате, а только указывает, какие выводы реальных компонентов с какими соединяются.

При составлении принципиальной электрической схемы контроллера заряда АКБ были применены полученные в ходе изучения дисциплин знания, а также изучена дополнительная литература по схемотехнике [18] [19].

Данный контроллер используется для отсоединения источника заряда от аккумулятора, после его полной зарядки.

Алгоритм работы контроллера для зарядки АКБ от альтернативных источников энергии для маломощных потребителей:

Солнечная панель и ветрогенератор преобразуют энергию солнечного света и энергию ветра соответственно в электрическую энергию

Собранная энергия с обоих источников в виде электрического тока через диоды Шоттки поступает на вход источника опорного напряжения (ADR225), что не дает току потечь в неверном направлении и разряжать батарею

Источник опорного напряжения питает компаратор (LT1017)

Оба преобразователя энергии ведут к стабилизаторам тока. Входное напряжение от 2В на любом из генераторов соответствует выходному току стабилизаторов 101.6 мА, что приблизительно равно C/10 = 100 мА, что соответствует стандартному методу медленной зарядки аккумулятора

Постоянное напряжение 1.2 В, полученное с помощью источника опорного напряжения и нагрузки 13 кОм, подается на операционный

усилитель, который сравнивает это значение напряжения со значением напряжения на клеймах заряжаемой батареи

Заряд АКБ:

Если напряжение на клеммах аккумуляторной батареи не превышает значение 1.2В, полевой N-канальный транзистор (NMOS) открыт и выполняется заряд АКБ

Если напряжение на клеммах аккумуляторной батареи равно 1.2В, транзистор закрывается, и подача питания прекращается Описание параметров элементов принципиальной схемы и их

назначение приведено в Приложении (Приложение 1).

Электрическая схема была построена в программе для аналогового и цифрового моделирования LTspice. При моделировании схемы были установлены значения напряжений в узлах схемы, а также на клеймах заряжаемой батареи (рисунок 3).

Аккумулятор здесь заменен источником напряжения, значение которого изменяется от 1.1 В до 1.25 В для того, чтобы сымитировать процесс зарядки АКБ, и нагрузкой 500 кОм.

Рисунок 3 - Электрическая схема контроллера заряда АКБ

Моделирование процесса заряда АКБ:

По результатам моделирования были построены графики зависимости напряжения (рисунок 4) на выходе компаратора от напряжения, подаваемого на его входы.

Рисунок 4 - Переходная характеристика схемы

Мы видим, что при напряжении на клеймах батареи от 1 В до 1.2 В транзистор открыт и батарея заряжается. При достижении значения напряжения 1.2 В происходит закрытие транзистора и ток перестает подаваться на батарею - она полностью заряжена.

2.3 Выбор комплектующих элементов

После проведенного обзора преобразователей энергии и маломощных потребителей (см. п. 1.4, 1.5) для будущей реализации системы

энергообеспечения были выбраны следующие комплектующие элементы:

- Солнечная панель. Вырабатываемая мощность: 0.1 - 0.25 Вт/см2. Габариты: опциональные. Тип: бытовые и промышленные, для

использования вне помещений.

Ветрогенератор. Вырабатываемая мощность: от 0.123 до 0.153 Вт/см2 при скорости ветра 6 м/с в зависимости от температуры окружающей среды. Тип: бытовые и промышленные, для использования вне помещений [17].

Электрорадиоэлементы, необходимые для реализации электрической схемы контроллера заряда (таблица 3).

Таблица 3. Элементная база электрической схемы

Элемент	Название	Номинал	Обозначение на эл. схеме	Назначение
Диод Шоттки	1N5817	20В, 1А/25А	D1, D2, D3, D4	Препятствует разряду аккумулятора обратно через панель
Источник опорного напряжения	ADR225	2.5В, 10мА	U1	Поддерживает постоянное напряжение на выходе при значительном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки
Стабилизатор напряжения	LT1962	1.22 ... 20В, 0.3A	U2, U3	Стабилизация напряжения перед подачей на транзистор
Операционный усилитель	LT1017	1,1 ... 40В, 5мкс	U4	Сравнивает напряжение на АКБ с опорным напряжением
Транзистор	RTR040N03	30В, 4А	M2	Работает как ключ для управления зарядкой АКБ
Конденсатор	ECAP (К50- 35)	1 мкФ	C1, C2	Для ограничения силы переменного тока в электрической цепи
Конденсатор	PC/HV/S/WF	10 нФ	C3, C4	Для ограничения силы переменного тока в электрической цепи
Конденсатор	ECAP (К50- 35)	10 мкФ	C5, C6	Для ограничения силы переменного тока в
				электрической цепи
Резистор		12 кОм	R1	Ограничение тока в цепи
Резистор		13 кОм	R2	Ограничение тока в цепи
Резистор		24 Ом	R3, R4	Ограничение тока в цепи
Резистор		500 кОм	R5	Ограничение тока в цепи
Резистор		200 кОм	R6	Ограничение тока в цепи
Резистор		500 Ом	R7	Ограничение тока в цепи
Аккумуляторная батарея		1.2 В	V3	Накопление заряда для питания маломощного устройства
Ветрогенератор		5 В	V1	Выработка электроэнергии (непост. источник)
Солнечная батарея		5 В	V2	Выработка электроэнергии (непост. ист.)

2.4 Разработка топологии печатной платы контроллера

Трассировка - стадия конструирования электрических схем, определяющее расположение проводящих конструкций на печатной плате. Методы трассировки:

Ручной метод: конструирование человеком с помощью средства автоматизированного проектирования

Автоматический метод: расчеты и конструирование

производится специальными автоматизированными системами

Интерактивный метод: система автоматического

проектирования прорисовывает проводящие структуры простых участков, однако проектировщик вмешивается в конструирование на сложных участках.

В данной работе был использован интерактивный метод.

С помощью программного комплекса DipTrace была разработана трассировка платы по данной схеме контроллера заряда АКБ.

Опираясь на ранее разработанную электрическую схему, была разработана принципиальная схема контроллера заряда АКБ (рисунок 5).

Рисунок 5 - Принципиальная схема контроллера заряда АКБ

После этого была составлена элементная база (таблица 3) и выбраны соответствующие параметры платы.

Параметры спроектированной печатной платы:

Толщина печатной платы 1.5 мм

Толщина медной фольги 34 мкм

Стеклотекстолит фольгированный

Эпоксидно-уретановый лак

Минимальная ширина проводников и расстояние между ними - 0,3 мм, ширина шины питания 0,4 мм

Минимальный диаметр отверстия 0,35 мм. Диаметр крепежного отверстия 2 мм

Геометрические размеры платы 50,8 мм х 38,1 мм х 6,8 мм После того, как были подобраны элементная база и параметры печатной платы, производилась разработка топологии в программе DipTrace на основе принципиальной электрической схемы (рисунки 6, 7, 8).

Все элементы были расположены как можно ближе друг к другу, чтобы плата имела наименьшие размеры. В углах платы были созданы металлизированные отверстия для крепления к корпусу. Контакты для подключения источников энергии расположены в левой части платы, контакт для подключения АКБ расположен в правой части платы.

Рисунок 6 - Топология печатной платы контроллера заряда АКБ вид сверху

Рисунок 7 - Топология печатной платы контроллера заряда АКБ вид снизу

Рисунок 8 - Проекции 3D модели платы контроллера заряда АКБ



ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ И СХЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

3.1 Принцип работы питаемого устройства

Устройство, питаемое энергией заряжаемого аккумулятора (в нашей модели мы будем называть его ведомым устройством), выполняет сбор данных с датчиков и оправляет эти данные мастер-устройству. В нашем случае используются датчики температуры и влажности, что позволяет проводить мониторинг в сельскохозяйственной среде для решения различных задач. Единственным условием использования такой топологии БСС является удаленность всех ведомых устройств не более чем на 1 километр от мастер - устройства.

Топология такой модели (рисунок 9) подразумевает, что каждое ведомое устройство «знает» о существовании лишь мастер-устройства, а передачи данных между двумя ведомыми устройствами не осуществляется. Таким образом устраняется один из главных недостатков топологии «звезда»: ненадежная реализация общения между двумя равноправными устройствами. Мастер-устройство, в свою очередь, подключено к глобальной сети, следовательно, оно лишь структурирует и перенаправляет данные к финальной точке - базе данных Redis. Мастер-устройство имеет вероятность выйти из строя. Однако, ничто не мешает подключить два мастер -устройства, «слушающих» частоту 868 кГц, по которой передаются данные датчиков, и писать их в сорезервные базы данных Redis.



Рисунок 9 - Топология модели общения между устройствами

Роль ведомого устройства выполняет система из микроконтроллера, модуля LoRa и датчиков, питаемая энергией заряжаемого аккумулятора.

Принципиальная схема всего питаемого устройства представлена на рисунке 10. Назначение элементов схемы:

Raspberry Pi: имитирует работу микроконтроллера;

Raspberry Pi с подключенным модулем LoRa: мастер - устройство;

L6920: преобразователь напряжения с внешней

регулировкой выходного напряжения;

DHT11 : цифровой датчик температуры и влажности.

маломощный потребитель энергия источник

Рисунок 10 - Принципиальная схема питаемого устройства

3.2 Алгоритм отправки данных

Алгоритм (рисунок 11) создан с целью сохранения жизненного цикла устройства. Его функцией является энергосбережение в долгосрочном режиме. Согласно нему, предполагается заряд запаса устройства, на основе наличия/отсутствия которого проводится решение о том, отправлять ли данные при текущем заряде на текущей итерации. Частота итераций - 1 раз в 24 часа.

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма



3.3 Рабочая реализация алгоритма передачи

Алгоритм реализован на Raspberry Pi, имитирующем работу реального микроконтроллера. Подбор подходящего эффективного рабочего микроконтроллера станет час...