Пьезо-mems сборщики вибрационной энергии позволяют создать smartmesh ip сеть беспроводных датчиков

Технология беспроводной интеллектуальной сети SmartMesh

Беспроводная Smart Mesh-сеть от Ruckus — это новый уникальный метод реализации высокопроизводительных беспроводных локальных сетей (WLAN).

Использование такой сети позволяет сократить процесс планирования расположения радиочастотных передатчиков и использовать намного меньше дорогостоящих Ethernet-кабелей за счет отсутствия обязательной необходимости в их прокладке к каждой точке доступа ZoneFlex.

Технология SmartMesh значительно упрощает и ускоряет развертывание беспроводной сети, а также снижает затраты. Smart Mesh-сеть позволяет предприятиям просто подключить несколько точек доступа ZoneFlex к любым наиболее удобным источникам питания и работать в локальной сети.

Кроме того, гибридная Mesh-сеть позволяет точкам доступа подключаться к удаленным Mesh-узлам по сети Ethernet.

Формируя новые деревья в центре ячейки, гибридная Mesh-сеть при расширении дополнительно получает возможность повторного использования спектра, что приводит к увеличению пропускной способности системы.

Точки доступа определяют свою роль в Mesh-сетях и реагируют на изменения в топологии сети автоматически.

Основываясь на тестировании крупнейших в мире установках Mesh-сетей вне помещения можно с уверенностью сказать, что технология SmartMesh от Ruckus гарантирует три ключевых аспекта, без которых использование подобных сетей в помещениях было невозможным:

1) высокую производительность, обеспечиваемую за счет комбинации технологии 802.

11n с технологией интеллектуальной сети Wi-Fi
2) надежность подключения между Mesh-узлами за счет выбора оптимального пути и методики защиты от помех
3) простейшую развертку, достигаемую за счет автоматизации точек доступа и процесса подготовки Mesh-сети к работе

Принцип работы Smart Mesh-сети от Ruckus

В SmartMesh-сети каждая точка доступа ZoneFlex функционирует как беспроводной узел в пределах ячейки. Для определения наилучшего пути передачи потока данных через радиочастотные передатчики к обратной точке доступа Mesh-сеть использует методику ранжирования антенн.

Топология Smart Mesh-сети определяется по потенциальной пропускной способности каждого узла.

Потенциальная пропускная способность — это фактическая пропускная способность канала исходящих данных (то есть, как быстро точка доступа сможет передать пакет данных в проводную сеть), а также потенциальная пропускная способность точки доступа канала исходящих данных.

Она рассчитывается на основе реальной пропускной способности точки доступа канала исходящих данных, уровня сигнала и других данных, таких как загрузка точки доступа и количество прямых соединений.

Каждая точка доступа в Mesh-сети определяет наиболее подходящий узел, с которым она будет связана.

Каждая точка доступа ZoneFlex канала входящих данных постоянно сообщает свои характеристики в Smart Mesh-сети, включая потенциальную пропускную способность и путь, который она использует для обмена данными с проводной сетью.

Это позволяет другим точкам доступа своевременно получать информацию о реальной топологии сети и реагировать на любые изменения в среде.

В случае возникновения ошибки точки доступа или падения производительности канала передачи входящих данных ниже заданного порога из-за перегрузки или помех, будет выбран новый путь к точке доступа с наилучшими характеристиками. Такая эффективная топология типа «дерево» минимизирует риски схождения и задержки передачи данных и одновременно повышает производительность.

Гибридная Mesh-сеть от Ruckus

В архитектуре гибридной Mesh-сети точки доступа подключаются к удаленным Mesh-узлам по сети Ethernet. Используя Ethernet как канал исходящих данных, точка доступа формирует новое дерево, в котором узлы используют каналы, отличные от каналов родительских узлов.

Разделяя дерево на разные каналы, система получает больше возможностей по передаче данных.

Точки доступа можно устанавливать в различных местах на крыше для устранения помех в совмещенном канале или присоединять к коммутатору для развертывания беспроводной сети по всему удаленному зданию.

Все, что выполняет Smart Mesh-сеть, делается в автоматическом режиме. Точка доступа автоматически определяет свою роль в сети и топологию сети, чтобы избежать появления петель, а затем выбирает, какие каналы использовать: проводные или беспроводные, чтобы обеспечить наилучшую пропускную способность.

Простота развертывания

Для включения Smart Mesh-сети администраторы должны просто установить один флажок в мастере настройки ZoneFlex.

После завершения процесса конфигурирования беспроводной локальной сети администратор привязывает точки доступа к ZoneDirector для включения функции автоматической инициализации.

В качестве альтернативы можно на месте инициализировать точки доступа вручную, например заменить одну из них на месте. После инициализации администратор может разместить точки доступа ZoneFlex практически в любом месте.

Подключите интеллектуальную Mesh-сеть к любому источнику питания, и она определит оптимальную топологию сети, а каждая точка доступа ZoneFlex выберет для себя наиболее оптимальный путь к корневой точке доступа.

В таком маловероятном случае, как потеря связи узла со своими родительскими узлами, администратор сможет подключиться к этому узлу по беспроводной сети через специальный SSID для восстановления, что устраняет необходимость выезда специалиста на место аварии. Защита сети при этом не пострадает, поскольку данные в случае использования SSID передаются не по мостовой схеме.

Простота управления

Любые операции управления Smart Mesh-сетью выполняются с контроллера ZoneDirector. Здесь администраторы могут увидеть карту топологии сети, просмотреть связанных клиентов и внести любые нужные изменения.

Основные характеристики:

• Создано на основе запатентованной технологии массивов интеллектуальных направленных Wi-Fi антенн BeamFlex™ от Ruckus
• Система автоматического подавления помех и защиты от помех в режиме реального времени
• Выбор оптимального пути для сигнала при передачи данных клиентам
• Самоформирующаяся топология сети
• Самовосстановление после возникновения ошибок точек доступа и внешних помех
• Централизованное управление с помощью интеллектуального контроллера беспроводной локальной сети ZoneDirector от Ruckus
• Автоматическая инициализация точек доступа
• Безопасные зашифрованные обратные связи
• Высокое качество обслуживания, ограничение скорости и фильтрация трафика всей сети
• Универсальная гибридная Mesh-топология
• Режим безопасного восстановления
• Поддержка всех интеллектуальных Wi-Fi точек доступа ZoneFlex от Ruckus

КЛЮЧЕВЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Smart Mesh-сеть позволяет значительно снизить расходы на развертывание
Smart Mesh-сеть позволяет подключать точки доступа Wi-Fi, не используя дорогостоящий кабель Ethernet. Расширенный диапазон сигнала и массивы направленных антенн с высоким коэффициентом усиления позволяют уменьшить количество необходимых для покрытия зоны точек доступа.

Для настройки не требуется вызов специалистов
Smart Mesh-сеть автоматически определяет оптимальную топологию сети и поддерживает наилучший вариант подключения к точкам доступа.

Расширенный диапазон минимизирует прямые соединения между узлами с целью повышения производительности
Точки доступа Smart Mesh-сети снабжены массивами направленных антенн с высоким коэффициентом усиления, что значительно увеличивает область устойчивого сигнала и исключает необходимость создания дополнительных прямых соединений между узлами, наличие которых отрицательно сказывается на производительности.

Гибридная Mesh-архитектура расширяет сеть без снижения пропускной способности
Точки доступа могут быть связаны через Ethernet с удаленными точками доступа Mesh-сети, формируя новые деревья на новых каналах и без двукратного снижения пропускной способности, которое обычно происходит при добавлении прямого соединения между узлами.

Развертывание Smart Mesh-сети занимает в два раза меньше времени, чем развертывание традиционной беспроводной локальной сети 802.

11
Smart Mesh-сеть автоматизирует настройку сети, требует прокладывать меньше Ethernet -кабелей и устраняет необходимость тщательного планирования мест расположения радиочастотных передатчиков, что позволяет выполнить развертку этой сети в два раза быстрее, чем в случае обычной беспроводной локальной сети.

Встроенная система защиты от помех обеспечивает высокую надежность
Массив интеллектуальных антенн в каждой точке доступа ZoneFlex AP позволяет в каждый момент времени выбирать наилучший путь для передачи сигнала и автоматически направлять сигналы, избегая помех, что обеспечивает высокую доступность Mesh-связей.

Автоматизированная развертка, сохраняющая простоту внедрения системы
Настройка всей Smart Mesh-сети занимает несколько минут и выполняется с центральной системы управления.

Высокая безопасность
Все обратные связи между узлами шифруются и скрываются, что обеспечивает безопасность и надежность операции.

Источник: http://ruckus-wireless.ru/technologies/smartmesh.html

Беспроводные системы умного дома

ГЛАВНАЯ        CCTV        СКУД        ОПС        ИТС        СТАТЬИ

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ – ДАТЧИКИ

Стоит заметить, что требования к функциональным возможностям умного дома как системы управления различным оборудованием и устройствами определяются исключительно “аппетитами” и фантазией пользователя. Тем не менее, существуют определенные, наиболее востребованные опции, которые уже стали “классикой” жанра.

В первую очередь это:

• управление освещением и отоплением;
• контроль и защита от протечек воды;
• создание интегрированных систем с использованием сигнализации, видеонаблюдения, контроля доступа.

Любая из них может быть реализована на базе как проводного, так и беспроводного оборудования. Последний вариант для многих заказчиков представляется наиболее предпочтительным за счет скорости и простоты монтажа системы, а также минимального нарушения дизайна внутренних помещений дома.

Кроме того, реализация дистанционного управления на базе беспроводных технологий дает возможность легко масштабировать систему умного дома, а также изменять ее конфигурацию за счет переноса исполнительных устройств и датчиков.

Стоит заметить, что управлять работой оборудования без использования проводов можно различными способами:

• на дистанциях в пределах домовой (придомовой) территории;
• без ограничения расстояний между управляющим устройством и контролируемым оборудованием.

В последнем случае используются GSM, 3G и 4G каналы связи, а в первом — WiFi, Z-Wave, EnOcean и некоторые другие технологии беспроводной передачи данных. Давайте рассмотрим особенности применения последних трех перечисленных систем.

Умный дом на базе WiFi оборудования.

С учетом того, что WiFi технологии предназначены все таки для применения в составе сетей, специализированного оборудования для работы в составе умного дома не так много. Существуют реле, управляемые по WiFi каналу, но готовых, простых в реализации решений лично я не встречал.

Очевидным достоинством такого оборудования является возможность легкого управления с любого устройства, поддерживающего WiFi и интернет подключение. Кроме того, при работе с системами беспроводного видеонаблюдения этот вариант наиболее предпочтителен и прост в реализации.

Беспроводной протокол связи Z-Wave.

Данная технология разработана для систем автоматизации и предусматривает использования маломощных радиочастотных модулей. Рабочий диапазон этого оборудования лежит в районе 1 ГГц, что позволяет избежать помех, наводимых другими устройствами типа WiFi, Bluetooth и пр.

Особенностями Z-Wave аппаратуры являются:

• низкий уровень энергопотребления;
• возможность использования модулей в качестве ретрансляторов.

Безусловно, перечисленные достоинства делают Z-Wave технологию чрезвычайно удобной для реализации в составе умного дома систем управления освещением, кондиционированием и вентиляцией, контролем доступа и пр.

Имейте ввиду, что за счет невысокой скорости передачи данных этот способ мало пригоден для передачи больших объемов информации, например, видеоизображений.

Беспроводные технологии EnOcean.

Также активно используются для управления оборудованием. Интересная особенность, заявляемая производителями, инсталляторами и ритейлерами — возможность работы без батарей питания. Подразумевается, что энергии от альтернативного источника питания (фото- пьезо- или термо- датчика) будет достаточно для нормального функционирования устройства.

Если это так, то в ряде случаев этот момент может оказаться решающим при выборе устройства, работающего на таком принципе.

Беспроводные выключатели

Управлять освещением можно в нескольких вариантах, например:

• автоматически по заранее определенному алгоритму (сценарию);
• вручную с помощью пульта дистанционного управления (ПДУ).

Дистанционно включать/выключать свет в первом случае целесообразнее с применением беспроводных выключателей, работающих по радио каналу. Некоторые из таких способов были рассмотрены выше. Ручные выключатели света, кроме того, могут управляться инфракрасными (ИК) пультами.

В ряде случаев это не совсем удобно, так как требует установки ИК приемника в зоне прямой видимости ПДУ, но все зависит от особенностей помещения и тактики управления. В любом случае, давайте посмотрим, на что обратить внимание и как правильно выбрать беспроводной дистанционный выключатель света.

Принципы передачи управляющего сигнала мы уже, пусть кратко, но рассмотрели. Идем дальше.

Способ и параметры коммутации.

Для бытовой сети переменного тока можно использовать два основных типа выключателей света:

Первый в качестве ключевого элемента использует электронные устройства типа, например, симистора. Отсутствие механических контактов обуславливает отсутствие искрообразования (особенно при мощной нагрузке), как следствие не возникают электрические помехи. Но главным, наверное, является возможность плавной регулировки освещенности.

Насчет надежности говорить поостерегусь. Теоретически, отсутствие механических частей должно обеспечивать длительный срок службы, но электроника тоже может отказать. Здесь много зависит от качества сборки, правильного режима работы, качества комплектующих.

Второй вариант по сути своей является обыкновенным выключателем, управляемым электрическим сигналом. В любом случае при выборе нужно учитывать значение переключаемых токов и напряжений, а также количество направлений коммутации.

Конструкция и место установки.

Поскольку мы говорим про беспроводные выключатели, то устанавливать их можно где угодно. Чаще всего это:

• место расположения штатного выключателя;
• корпус осветительного прибора.

С учетом этого выбираем исполнение. Естественно, чем меньше габариты, тем лучше, но главное — удобство размещения и крепления. Кстати, возможны бескорпусные исполнения. Но в этом случае следует позаботиться о мерах электробезопасности.

Вполне очевидно, что, поскольку мы говорим о беспроводном коммутаторе, то в месте его установки должен осуществляться уверенный прием управляющего сигнала. Не забывайте, что металлические конструкции способны значительно ослабить радио сигнал.

Кроме того, при уличной установке выключателя позаботьтесь о его климатической защите и обратите внимание на рабочий температурный диапазон.

Кстати, с точки зрения дистанционного управления электрическими приборами, интересным вариантом может оказаться GSM розетка.

В начало

Беспроводные датчики

Помимо датчиков сигнализации интеллектуальная система управления домом предусматривает использование устройств контроля:

• температуры;
• протечки воды;
• утечки газа и пр.

Выбор беспроводного варианта исполнения этих устройств зависит от общей концепции построения умного дома. Если стоят задачи обеспечения базового уровня безопасности с применением сигнализации, системы контроля температуры и управления котлом, то имеет смысл купить подходящий по своим функциональным возможностям модуль GSM сигнализации.

Чтобы сделать правильный выбор этого оборудования можете посмотреть этот материал. Там рассмотрены наиболее популярные модели и их возможности.

Если же ваш дом управляется специализированным контроллером, то лучше всего использовать датчики одного с ним модельного ряда.

В большинстве случаев для датчиков протечки беспроводное исполнения является наиболее подходящим. Объясняется это специфичность мест их установки:

• на полу;
• в труднодоступных местах;
• помещениях, отделанных кафельной плиткой и пр.

То же самое можно сказать о датчиках температуры, устанавливаемых непосредственно на радиаторах отопления (как правило такой способ позволяет осуществить наиболее раннее обнаружение отключения отопительного оборудования).

В любом случае рекомендую помнить, что использование беспроводного оборудования, зачастую является вынужденной мерой. Если есть возможность применения проводного подключения, то сбрасывать со счетов его в угоду моде или советам некомпетентных людей не нужно.

Не забывайте, основной характеристикой любой системы безопасности и управления является надежность. В этом отношении проводной канал связи предпочтителен хотя бы тем, что позволяет осуществлять непрерывный (постоянный) контроль своей целостности. Беспроводные системы такой возможностью пока похвастаться не могут.

В начало

  *  *  *

© 2014-2018 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют исключительно ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник: https://video-praktik.ru/umnyj_dom_besprovodnoj.html

MicroGen’s Piezo-MEMS Vibration Energy Harvesters Enable Linear Technology SmartMesh IP Wireless Sensor Network

MicroGen Systems, Inc.

announced today that vibration energy harvesting BOLT Power Cells (see Figure 1) enabled a live wireless sensor network (WSN) using Linear Technology’s Dust Networks LTC5800-IPM SmartMesh IP mote-on-chip at the Sensors Expo and Conference exhibition in Rosemont, IL on June 5-6, 2013. The Linear mote was powered by MicroGen’s piezoelectric Micro Electro Mechanical Systems (piezo-MEMS) vibrational energy harvester or micro-power generator (MPG) technology.

MicroGens piezoMEMS based micropower AC generator, Power Cells (9 Volt battery formfactor) with 3.3 Volt DC output, and plug in Energy Cells that use either an ultra capacitor or a rechargeable battery (solid state or Li-ion coin batteries available) for additional energy storage capacity

The Linear WSN consisted of four (4) motes, and their WSN software for efficient power managed communication was used. The self-powered motes were enabled by electronic shakers set at typical industrial vibrations levels of 120 Hz and acceleration G-level 0.2 g (g = 9.

8 m/s2). MicroGen placed vibration powered motes at the Linear booth and at the X-FAB MEMS Foundry booth. These motes were on the order of 20-30 meters away from MicroGen’s booth. This was the first fully MEMS energy harvesting powered WSN completed by a commercial company.

Inside MicroGen’s BOLT Power Cell is a small semiconductor MEMS chip fabricated using similar techniques as the computer chip industry. This chip is a ~1.0 cm2 piezo-MEMS MPG containing one end-mass loaded micro-cantilever containing a piezoelectric thin film.

As the MPG’s cantilever bends up and down due to the external vibrational force it produces alternating current (AC) electricity. At resonance the AC power output is maximized, where it is ~100 microWatts at 120 Hz and = 0.1 g, and ~900 microWatts at 600 Hz and = 0.

5g.

The AC electricity is efficiently converted to direct current (DC) using Linear Technology’s LTC3588-1 piezoelectric energy harvesting AC to DC converter.

After the energy is scavenged it is temporarily stored on a 300 microFarad capacitor. The output of the Power Cell ranges from 25-500 microWatts at 3.3 Volts DC, depending upon configuration and frequency.

The BOLT Power Cell is intended to enable a wireless sensor mote from many different manufacturers.

The bottom-line is that the BOLT Power Cell is simply a battery replacement unit that uses vibrational energy instead of chemical energy produced by environmentally unfriendly materials.

The intent is to eliminate or extend the lifetime of primary cells or rechargeable batteries in WSN industrial and building applications, where the labor to frequently change batteries is cost prohibitive for a WSN to be installed. Power cells will be offered at 50/60 Hz harmonics between 100 – 1500 Hz.

MicroGen’s MPGs and Power Cells are very sensitive to low levels of G. At G-levels < 0.1 - 0.5g (depends upon frequency) at a specific industrial signature frequency, then the Power Cell will enable the WS mote attached.

Joy Weiss, President of the Dust Networks product group at Linear Technology stated, “I am pleased to see the progress that MicroGen is bringing to energy harvesting to enable self-powered SmartMesh wireless sensors.”

Linear Technology’s Boston Design Center’s Director, Sam Nork added, “MicroGen’s demonstration of its piezo-harvesting chip integrated with Linear Technology’s LTC3588 piezo conversion chip is a perfect match to efficiently produce DC electricity for WSN applications.”

MicroGen’s CEO, Robert Andosca stated, “We are very pleased that we were able to show a low cost energy harvester solution to enable Linear Technology’s SmartMesh wireless motes. Our goal is to provide piezo-MEMS harvesters in a form-factor that can be used by all wireless sensor products currently on the market.

Our BOLT Power Cell is the first example of doing so with a commercial MEMS-based energy harvesting generator component.” MicroGen unveiled their BOLT product line at the Sensors Expo this month. MicroGen plans to announce the availability of their products late summer 2013.

Initially, MicroGen will offer MPGs and BOLT Power Cells at frequencies 100, 120 and 600 Hz. For extra energy storage, plug-in BOLT Energy Cells will be available with (a) 22 milliFarad Panasonic ultra capacitor, (b) 50 microAmp-hr Cymbet Corporation solid-state battery, and (c) 7.0 milliAmp-hr Panasonic rechargeable coin cell.

Please see BOLT products webpage, which contains links to all MicroGen product data-sheets.

Источник: http://www.analog.com/en/technical-articles/microgen-s-piezo-mems-vibration-energy-harvesters-enable-linear-technology-smartmesh-ip-wireless.html

Сборщики энергии вибраций от Mide Technology приходят на смену батарейкам

Построить систему мониторинга данных с автономным питанием, а именно – питающуюся от вибрации исследуемого оборудования? Эта задача становится реальной при использовании сборщиков пьезоэнергии (пьезогенераторов) Volture производства компании Mide Technology.

Все более актуальной задачей становится поиск альтернативных источников питания и построение на их основе разнообразных электронных устройств, использующих, например, энергию солнца или ветра.

В случае построения подобных систем в промышленных помещениях, вагонах поездов, автомобилях, где есть наличие вибраций, наиболее приемлемым для питания электронных устройств является пьезоэлектричество.

В основе пьезоэффекта лежит свойство некоторых кристаллов продуцировать электрический заряд при сжатии (прямой пьезоэффект) или под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Хотя первое исследование пьезоэлектрических эффектов сделано еще в 1880 году братьями Кюри, широкое распространение технология получила только в наши дни.

Одним из приоритетных направлений исследований является разработка автономных беспроводных датчиков, получающих энергию от измеряемого сигнала или использующих другие пути получения механического воздействия на пьезоэлектрик.

Актуальным их использование становится в считавшихся ранее нетиповыми задачах – в установленных в труднодоступных местах вращающихся механизмах, сейсмодатчиках и так далее. К примеру, в Великобритании уже прошли успешные испытания датчики износа колесной базы вагонов метро [1].

При движении поезда вибрации колесной базы вагона преобразовываются в электрическую энергию, которая используется для питания автономных датчиков. Датчик содержит микропроцессор с низким энергопотреблением для анализа вибраций и радиопередатчик, который посылает данные в концентратор. Все эти элементы объединены в узел беспроводного сбора данных, установленный на колесной базе. Такой подход позволяет осуществить установку системы в считанные минуты и при первом же пуске получить всю необходимую информацию. Детектируемые вибрации позволяют судить о величине износа колесной базы, снизить временные и финансовые затраты на проведение плановых диагностик, а также повысить безопасность использования поездов метрополитена.

Типовая структурная схема сборщика пьезоэнергии

Рис. 1. Виброгенераторы Volture

Одним из лидеров рынка по производству пьезоэлектрических сборщиков энергии является компания Mide Technologies, которая обеспечивает передовыми технологическими продуктами аэрокосмическую, морскую, автомобильную, научно-исследовательскую и производственную отрасли.

Выпускаемые Mide Technologies пьезоэлектрические генераторы серии Volture обладают высокими эксплуатационными характеристиками и безопасны для окружающей среды (рисунок 1). Отличительной чертой предлагаемых виброгенераторов серии Volture является наличие защитного кожуха из меди, который герметично запечатывает пьезоэлементы и соединения с разъемом.

Такой подход делает устройства устойчивыми к воздействиям окружающей среды, что позволяет значительно продлить срок службы виброгенераторов и увеличить их надежность. Устройства предназначены для преобразования в электричество неиспользуемой ранее энергии вибрации.

Такие устройства могут питать автономные системы сбора данных, закрепленные на узлах машин, станков, архитектурных конструкций [2].

Каждый виброгенератор Volture состоит из двух пьезоэлементов, которые могут подключаться независимо, параллельно (для удвоения тока, что рекомендуется для большинства применений) и последовательно (для удвоения напряжения).

В обычном исполнении пьезоэлементы совершают колебания в двух противоположных направлениях относительно оси, поэтому на выходе генератора возникает переменный ток.

Типичная схема включения виброгенератора содержит выпрямитель и контроллер зарядки аккумуляторов (рисунок 2).

Рис. 2. Типовая схема беспроводного устройства с виброгенератором

При установке генератора один конец закрепляется на вибрирующем основании, а другой остается свободным. Эффективность работы такой системы зависит от резонансной частоты получившегося маятника.

Виброгенераторы Volture выпускаются нескольких форм и размеров и подходят для разных диапазонов рабочих частот. Точная настройка под параметры вибрации выполняется с помощью грузиков.

От частоты колебаний и их амплитуды зависит и мощность генератора (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимости мощности генератора V20W от частоты и амплитуды вибрации

Номенклатура и характеристики

В серии Volture производства компании Mide Technology представлены всего шесть модификаций виброгенераторов.

Все представленные устройства имеют схожий форм-фактор и одинаковый температурный режим: для всех серий диапазон рабочих температур находится в пределах -40…90°С и -40…150°С без соединителя, температура пайки 300°С (до 10 секунд).

Максимальное напряжение и ток каждого отдельного изделия зависит от вибрационных характеристик, к которым относится частота вибраций (таблица 1) и максимальная амплитуда отклонений кончика пластины устройства (таблица 2, рисунок 4).

Рис. 4. Пример предельного прогиба виброгенераторов Volture

Таблица 1. Электрические характеристики виброгенераторов Volture

Наименование	Емкость одной пластины при 100 Гц, нФ	Сопротивление одной пластины при 100 Гц, Ом	Емкость одной пластины при 120 Гц, нФ	Сопротивление одной пластины при 120 Гц, Ом
V20W	69	390	69	340
V25W	130	210	130	175
V21B	26	950	26	770
V21BL	26	950	26	770
V22B	9	2400	9	2000
V22BL	9	2400	9	2000

Таблица 2. Максимальная амплитуда вибраций виброгенераторов Volture

Наименование	Максимальное отклонение кончика пластины, дюйм
V20W	0,1
V25W	0,15
V21B	0,06
V21BL	0,18
V22B	0,03
V22BL	0,12

Надежность изделия

Несмотря на большую амплитуду вибраций, виброгенераторы Volture обладают достаточно высокой надежностью, которая основывается на особой запатентованной технологии производства.

Пьезоэлектрические материалы заключены в защитный медный кожух с заранее прикрепленными электрическими выводами (рисунок 5). Защитный кожух обеспечивает электрическую изоляцию, защиту от влажности и активных загрязняющих веществ.

Наличие выводов в форме соединителя позволяет производить подключение устройств без использования пайки.

Обладая малой толщиной (порядка 0,61…0,86 мм), изделия обладают высокой надежностью и прочностью, что позволяет использовать их в устройствах сложных форм, а возможность создавать из них мульти-пьезомассивы делает их идеальными для использования в датчиках, исполнительных механизмах сбора энергии и других тактильных приложениях [3].

Рис. 5. Внутреннее строение виброгенераторов Volture

Тюнинг датчика – подбор резонансной частоты

Первый шаг в успешной реализации системы сбора энергии – максимальное использование характеристик среды, в которой будет работать устройство Volture.

Наиболее эффективным средством для достижения этой цели является измерение вибрации с помощью акселерометра, сбор данных, а также выполнение БПФ (Быстрое преобразование Фурье) над данными для извлечения информации о частоте.

Некоторые приложения не требуют этого шага, так как их доминирующие частоты известны. Примером этого могут быть промышленные двигатели частотой 100 Гц AC или бытовые, частотой 50 Гц. Тем не менее, у большинства устройств частота вибрации может значительно варьироваться.

Например, вибрации автомобилей или вертолетов могут находиться в низком диапазоне порядка 30 Гц. Для максимальной эффективности работы виброгенераторы Volture должны быть настроены на частоту вибраций устройства, на которое они устанавливаются.

Простейшим и надежным средством для настройки Volture является использование дополнительных грузиков вдоль длины преобразователя. Помещение дополнительного веса на наконечник позволяет снизить естественную частоту работы Volture.

Для этих целей компания Mide предлагает тонкие наконечники из вольфрама, которые проходят соответствующую обработку, чтобы поместиться в ультранизкий профиль виброгенераторов Volture. Изделия изготовлены из вольфрама для достижения наилучшего показателя соотношения массы и объема.

Дополнительная масса может быть прикреплена к устройствам Volture с использованием клея для постоянной установки или пчелиного воска для исследования работы прототипа.

Для каждой отдельно установленной дополнительной массы можно достигнуть точной настройки устройства на необходимую частоту путем простого перемещения массы вольфрама вдоль длины устройства [4].

Платы выпрямителя и накопителя – обзор, назначение

Представленные виброгенераторы Volture являются только первичными преобразователями энергии. Для питания электронных устройств преобразованную энергию нужно еще собрать, стабилизировать и аккумулировать. Для этого компания Mide Technology предлагает ряд выпрямительных и накопительных плат [5].

Рис. 6. Внешний вид платы выпрямителей EHE001c и EHE001nc

Рис. 8. Внешний вид платы выпрямителя EHE004

Самым простым преобразователем является выпрямительная плата EHE001c и EHE001nc (рисунки 6 и 7). Этот двойной двухполупериодный выпрямитель подключается непосредственно к разъему любого Volture и обеспечивает на выходе нерегулируемый постоянный ток, что упрощает оценку продукта.

Компания Mide в настоящее время предлагает две модификации этого выпрямителя. Различаются они только одним элементом в схеме. EHE001c имеет на выходе конденсатор 10 мкФ для сглаживания пульсаций, а EHE001nc не имеет данной емкости на выходе.

На EHE001c выходное напряжение ограничивается стабилитроном на 15 В [6].

Рис. 7. Типовая схема построения платы выпрямителей EHE001c и EHE001nc

Выпрямительная плата EHE004 подключается непосредственно к любому пьезоэлектрическому преобразователю Volture и преобразует выходное переменное напряжение от виброгенератора в постоянное.

EHE004 состоит из двухполупериодного выпрямителя, конденсатора емкостью 200 мкФ для накопления энергии и преобразователя с коммутируемым выходным напряжением (рисунки 8 и 9). Выход может быть настроен на уровни в 1,8; 2,5; 3,3 и 3,6 В.

В случае необходимости в схему могут быть добавлены конденсаторы большей емкости. В качестве преобразователя используется микросхема контроля заряда Linear Technology LTC3588-1 – высокоэффективный преобразователь для работы с высокоимпендансными источниками энергии, такими как вибропреобразователи.

Ввиду того, что каждый продукт сбора энергии Volture имеет две пьезоэлектрические пластины, EHE004 предоставляет пользователю возможность подключения этих пластин последовательно или параллельно [7].

Рис. 9. Схема построения платы выпрямителя EHE004

Накопительная плата EHE005 PEHBLE (Piezo-Energy Harvesting Battery Life Extender) – устройство управления питанием, которое сочетает в себе надежность литиевой батареи с возобновляемой энергией.

Комбинированный подход использования преобразованной энергии и литиевой батареи (с возможностью замены) на борту гарантирует постоянную подачу мощности в нагрузку. В системе используется интеллектуальный подход к выбору источника питания: от источника колебаний или от встроенной батареи.

В основе устройства лежит чип LTC3330 Linear Technology, который следит за уровнем входящего напряжения от Volture и в случае его падения ниже порогового значения переключает выход на питание от батареи (рисунок 10).

Система идеально подойдет для таких приложений, как удаленные беспроводные зонды, где энергия вибрации может присутствовать в незначительной мере и необходимо обеспечить резервное батарейное питание для выполнения всего цикла работ [8].

Рис. 10. Схема построения платы выпрямителя EHE005

Области применения

Прочная герметичная конструкция с низким профилем, доступная в разных типоразмерах, обеспечивает широкий спектр использования виброгенераторов Volture:

• мониторинг в системах безопасности и промышленных сетях сбора данных;
• датчики систем обслуживания;
• беспроводные датчики HVAC;
• системы мобильного слежения;
• датчики давления в шинах;
• датчики в нефте- и газопроводах;
• все воздушные, земляные и водные датчики измерения климатических параметров;
• автомобильные датчики;
• применение в качестве замены батарейного и проводного питания в маломощных системах.

Наиболее популярной сферой использования устройств Volture является построение автономной беспроводной сети сбора данных о параметрах технологического оборудования. Такой подход позволяет производить установку измерительного оборудования без остановки как производства в целом, так и отдельных линий.

Как известно, на производстве используется значительное количество кабельных соединений, и дополнение каждой новой линии значительно усложняет существующую кабельную систему, поэтому данные системы наиболее оптимальны в использовании с беспроводными модулями передачи данных.

Собираемые данные могут быть достаточно разнообразными. Это могут быть технологические параметры, где наиболее ценной является информация о состоянии подвижных частей оборудования, ранее недоступная для автоматического контроля.

Как в приведенном ранее примере об износе колесной базы вагонов метро, так и в промышленности величина вибраций характеризирует степень износа оборудования. На рисунках 11 и 12 приведены примеры использования виброгенераторов Volture на промышленных установках [9].

Наличие отклонений в характере выходного тока устройств уже может служить показателем характера функционирования и состояния контролируемого оборудования.

Рис. 11. Установка виброгенератора Volture на промышленный двигатель

Рис. 12. Контроль вибраций промышленной установки

При помощи специальных грузов вибропреобразователи могут быть настроены на частоту 50 Гц для достижения максимальной энергоэффективности при работе с отечественными промышленными установками.

Заключение

Рассмотренные высококачественные виброгенераторы Volture производства компании Mide Technology и их дополнительные платы преобразования и накопления энергии позволяют решить практически любую задачу построения автономной системы для работы в среде с наличием механических вибраций. Изолированный герметичный корпус, малая толщина и наличие целого ряда типоразмеров позволяют использовать устройства Volture для решения обширного круга задач – от установки в портативные приборы до построения биомедицинских и промышленных систем мониторинга данных.

Литература

1. http://www.perpetuum.com/resources/Monitoring%20bearing%20health%20wirelessly.pdf.
2. https://www.terraelectronica.ru/news_utr.php?ID=77.
3. http://www.mide.com/products/piezo-protection-advantage.php.
4. http://www.mide.com/products/volture/tungsten-tuning-masses-for-vibration-energy-harvesting.php.
5. http://www.mide.com/products/volture/energy-harvesting-electronics.php.
6. http://www.mide.com/pdfs/volture_EHE001_Datasheet.pdf.
7. http://www.mide.com/pdfs/volture_EHE004_Datasheet.pdf.
8. http://www.mide.com/pdfs/PEHBLE-datasheet-EHE005.pdf.
9. 9. http://www.perpetuum.com/appsaction.asp.

Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2015/7/5-sborshhiki-energii-vibratsiy-ot-mide-technology-prihodyat-na-smenu-batareykam