Use um microcontrolador de coleta de energia para eliminar a troca da bateria IoT

Os projetistas de dispositivos de Internet das Coisas (IoT) sem amarras estão sempre na procura por melhores maneiras de alimentar estes dispositivos para minimizar o tempo de inatividade através de aplicações de consumo, comercial ou industrial. As baterias primárias precisam ser sempre monitoradas e, caso sejam trocadas, elas acrescentam um problema significativo de descarte. As baterias recarregáveis lidam com o problema de descarte, mas os dispositivos precisam ser desmontados, recarregados e remontados.

As limitações das abordagens tradicionais levam a um maior interesse nas técnicas de coleta de energia, onde a energia ambiente é usada para alimentar um dispositivo. O problema para os projetistas é que os circuitos com necessidade de coletar energia e recarregar baterias podem agregar complexidade, tamanho e custo mensurável ao projeto.

Este artigo traz resumidamente o caso do uso da coleta de energia em aplicações IoT e descreve alguns dos desafios que os projetistas enfrentam. Em seguida, ele introduz uma abordagem que supera esses desafios pela integração da coleta de energia e circuitos de gerenciamento de carga da bateria em um microcontrolador (MCU). Usando soluções de dispositivo como exemplo e placas de testes associadas da Renesas, o artigo mostrará como aplicar a abordagem para eliminar de forma eficaz a necessidade da troca de bateria em dispositivos IoT.

Por que usar coleta de energia para IoT?

A coleta de energia é uma solução atrativa para aplicações IoT, como em sistemas de sensor sem fio de baixo consumo, onde permite a implantação de dispositivos completamente sem fios que requerem pouca ou nenhuma manutenção. Normalmente, esses dispositivos ainda precisam de uma bateria recarregável ou supercapacitor para atender as demandas de energia de pico.

Em princípio, através da coleta da energia ambiente, o sistema pode empregar um dispositivo menor de armazenamento de energia e aumentar sua vida útil. Por sua vez, o projeto IoT resultante pode possivelmente caber em um pacote menor, desde que a funcionalidade de coleta de energia acrescente pouco à contagem de peças do projeto. Na prática, contudo, a necessidade por componentes adicionais para implementar a coleta de energia frustra a tentativa de reduzir a pegada do projeto.

O problema é que uma fonte de alimentação de coleta de energia normalmente requer dispositivos separados para coletar a energia ambiente e assegurar o gerenciamento adequado da carga para um dispositivo de armazenamento de energia, como uma bateria recarregável ou supercapacitor. Somada a um projeto de sistema sem fio já minimalista que compreende um MCU, sensor e transceptor de radiofrequência (RF), essa funcionalidade adicional pode transformar um projeto simples com poucas peças em outro relativamente complexo (figura 1).

Figura 1: o uso da coleta de energia em dispositivos IoT pode livrar os usuários das dores de cabeça na manutenção da bateria, mas as exigências adicionadas normalmente levam a dispositivos maiores de forma incremental, complexidade maior de projeto e custos elevados, tudo isso vai contra as exigências de um projeto IoT sem amarras. (Fonte da imagem: Renesas)

Minimizando componentes para projetos IoT

Até o momento, muitos dos vários componentes necessários para a coleta de energia foram integrados em módulos especializados e circuitos de gerenciamento de energia (PMICs) como o LTC3105/LTC3107 da Analog Devices, S6AE101A da Cypress Semiconductor, MCRY12-125Q-42DIT da Matrix Industries entre muitos outros. Tais dispositivos fornecem uma tensão regulada de uma célula solar, gerador termoelétrico (TEG), transdutor de vibração piezoelétrico ou outra fonte de energia. Como tal, eles podem servir como uma fonte de alimentação completa de coleta de energia para um projeto básico de hardware IoT. Entretanto, os projetistas precisam ir além para atender as exigências da aplicação e manter ou obter vantagem competitiva.

A família MCU RE01 da Renesas ajuda com esses objetivos, pois leva a abordagem da integração a fundo ao incluir um controlador de coleta de energia (EHC) dentro do dispositivo. De fato, um MCU RE01 pode usar seu EHC embutido para recarregar uma bateria secundária, enquanto fornece a alimentação do sistema ao restante do dispositivo. Mais do que apenas um dispositivo de coleta de energia, o RE01 inclui seu EHC com um núcleo Arm® Cortex®-M0+ de 64 MHz, Flash no chip, um bloco proprietário inteligente, seguro e confiável (TSIP), um conversor analógico para digital (ADC) de 14 bits, temporizadores e várias interfaces periféricas (figura 2).

Figura 2: criado para simplificar o projeto do dispositivo alimentado por bateria, a família de microcontroladores RE01 da Renesas combina um controlador completo de coleta de energia com um núcleo de processador Arm Cortex-M0+ de baixo consumo, Flash no chip e vários periféricos e interfaces. (Fonte da imagem: Renesas)

Projetado para simplificar a implementação de dispositivos IoT alimentados por bateria, o RE01 integra um conjunto abrangente de funcionalidades periféricas relevantes. Junto com seu ADC e interfaces seriais para integração do sensor, o dispositivo inclui um circuito de controle do acionador do motor (bloco “MTDV” na figura 2) capaz de acionar até três motores; uma fonte de corrente constante capaz de alimentar três diodos externos de emissão de luz (LEDs); além de um gerador de pulso de baixa velocidade (LPG). Para saída do display, o MCU RE01 integra um acelerador gráfico para processamento de imagem bidimensional (2D), assim como um controlador de tela de cristal líquido (LCD) de memória em pixel (MIP). Para as exigências de controle em tempo real, o MCU também inclui um temporizador watchdog, um relógio em tempo real (RTC) e circuito de correção do relógio (CCC) que mantém a precisão dele. Para dados e código de software, a família RE01 combina a funcionalidade citada acima em dispositivos membros incluindo o R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) com 1500 Kbytes de Flash, e o R7F0E01182CFM (RE01 256KB) com 256 Kbytes de Flash.

Junto com seus recursos funcionais, o MCU RE01 fornece uma abundância de opções para conseguir o equilíbrio necessário entre desempenho e consumo de energia. O MCU pode trabalhar em vários modos de operação que minimizam o consumo de energia ao reduzir a frequência de operação desde o máximo de 64 MHz até 32,768 kHz em um modo de corrente de fuga baixa, com frequências intermediárias em modo normal de operação de 32 MHz ou 2 MHz. Numa operação típica, o R7F0E015D2CFP RE01 de 1500 KB consome normalmente somente uma corrente ativa de 35 microamperes por megahertz (µA/MHz), e somente 500 nanoamperes (nA) em modo de espera a 1,62 volts. Seu ADC de 14 bits consome somente 4 µA, e as regravações da programação Flash precisam de apenas 0,6 mA. Ao fornecer a alimentação a estas operações normais, o EHC do MCU RE01 integra um vasto conjunto de capacidades projetadas para implementar de forma fácil a coleta de energia e o gerenciamento da bateria.

O controlador integrado da coleta de energia simplifica o projeto

Graças ao seu EHC integrado, os MCUs RE01 tornam a implementação da coleta de energia uma operação de rotina usual. Os projetistas precisam apenas conectar um elemento de geração de energia, como uma célula solar, TEG ou transdutor de vibração, diretamente aos pinos VSC_VCC e VSC_GND dos MCUs. Quando houver energia ambiente suficiente disponível, o EHC pode levar os pinos de saída do MCU a carregar uma bateria secundária (VBAT_EHC), um capacitor de armazenamento (VCC_SU) e outros dispositivos externos (figura 3).

Figura 3: o controlador integrado de coleta de energia do MCU RE01 deixa os desenvolvedores tirarem proveito da coleta de energia de forma rápida. (Fonte da imagem: Renesas)

A simplicidade do projeto vem do conjunto completo de blocos funcionais contidos dentro do MCU RE01 conforme mostrado na figura 4.

Figura 4: o controlador integrado de coleta de energia do MCU RE01 da Renesas inclui todas as funcionalidades necessárias para utilizar um elemento de geração de energia para abastecer as saídas de tensão pretendidas. (Fonte da imagem: Renesas)

Junto com seus blocos funcionais, o EHC fornece vários circuitos de monitoramento de tensão, assim como vários registradores de controle e de status para organizar o fornecimento de energia. Por exemplo, um indicador de status do elemento de geração de energia (ENOUT) informa caso aquele elemento esteja gerando corrente. De forma recíproca, um indicador de monitoramento do destino de carga (CMPOUT) informa caso a tensão de carga esteja sendo aplicada à bateria secundária ou ao capacitor de armazenamento. Cada um desses recursos desempenha uma função conforme o EHC prossegue através dos estados operacionais associados com inicialização, operações normais e exaustão da bateria (figura 5).

Figura 5: usando monitores internos de tensão, registradores e indicadores de status, o controlador de coleta de energia do MCU RE01 da Renesas suporta toda a sequência de carregamento desde o começo até a exaustão. (Fonte da imagem: Renesas)

Quando um elemento de geração de energia for conectado ao MCU, o EHC entra no período de carregamento inicial. A seguir, o EHC habilita a alimentação chegar ao VCC_SU, carregando o capacitor de armazenamento até o nível de tensão no VCC_SU superar um nível de tensão limite específico, VCC_SU_H. Neste momento, o EHC passa a usar o capacitor de armazenamento para começar a fornecer energia para o domínio do sistema, VCC. Quando VCC supera a alimentação na tensão limite (VPOR), o sinal de reinicialização ao ligar fica alto, liberando o dispositivo da reinicialização e, ao mesmo tempo, trazendo nível alto ao ENOUT, indicando que o elemento de geração de energia está ativo.

Assim que a reinicialização ao ligar for liberada, o registrador de controle de carga VBAT_EHC do EHC, VBATCTL é definido para 11b, permitindo que o dispositivo comece a carregar a bateria secundária. Na verdade, durante este período, o EHC alterna sua saída de carregamento entre a bateria secundária e o capacitor de armazenamento para manter a alimentação VCC, enquanto a bateria estiver carregando. Quando a tensão do capacitor de armazenamento cair abaixo de um nível de tensão limite inferior, VCC_SU_L, o EHC muda a alimentação para VCC_SU até ele atingir o limite superior VCC_SU_H, no ponto em que retoma o carregamento da bateria secundária. Esse processo continua até a tensão da bateria de armazenamento em VBAT_EHC atingir o limite VBAT, VBAT_CHG (figura 6).

Figura 6: mesmo depois que o controlador integrado de coleta de energia (EHC) do MCU RE01 da Renesas começa a carregar a bateria do dispositivo, o EHC continua a manter a carga no capacitor de armazenamento, que fornece a alimentação do sistema VCC até que a bateria esteja totalmente carregada. (Fonte da imagem: Renesas)

Assim que a bateria for carregada, o bit QUICKMODE é ativado, levando o EHC a entrar no estado estacionário de operação. Neste estado, o EHC continua a carregar a bateria a partir do elemento de geração de energia, ao mesmo tempo em que alimenta a partir da bateria o domínio VCC.

Se a energia ambiente cair e o elemento de geração de energia parar de alimentar, o EHC continua fornecendo VCC a partir da bateria. Ocasionalmente, o monitor interno de tensão detectará que o VBAT_EHC caiu abaixo de um limite pré-estabelecido, V_det1, e o bit QUICKMODE será redefinido a zero. Uma vez que esse bit for definido, a energia é cortada ao domínio VCC e os registradores EHC são inicializados. Uma redução adicional em VCC abaixo de V_POR leva o dispositivo a reiniciar o sinal da reinicialização ao ligar. Para voltar a operar de forma adequada, o dispositivo deve realizar a sequência de carregamento inicial após a energia ambiente subir a níveis suficientes.

Kit de avaliação auxilia a prototipagem rápida

Embora o EHC embutido no RE01 elimina a necessidade de componentes adicionais, para utilizar seus recursos, os desenvolvedores precisam ainda configurar o dispositivo e executar a série de operações prescritas citadas acima. Para ajudar os desenvolvedores a chegar numa prototipagem de forma rápida e personalizar o desenvolvimento com a família RE01, a Renesas fornece os kits de avaliação prontos para uso RTK70E015DS00000BE e RTK70E0118S00000BJ para o RE01 de 1500 KB e RE01 de 256 KB, respectivamente. De fato, o kit RE01 de 1500 KB oferece uma mão na roda com a plataforma de desenvolvimento que inclui a placa MCU RE01 de 1500 KB (figura 7), uma placa de expansão LCD, um painel solar e um cabo USB. Junto com o MCU RE01, a placa de desenvolvimento inclui um supercapacitor de armazenamento, um conector para uma bateria recarregável externa, interruptores, LEDs, um depurador na placa e vários conectores de interface, incluindo uma barra de pinos do Arduino Uno.

Figura 7: o kit de avaliação RE01 de 1500KB inclui uma placa MCU RE01 de 1500 KB com um depurador na placa e várias opções de interface projetadas para auxiliar a avaliação, prototipagem e desenvolvimento personalizado. (Fonte da imagem: Renesas)

Junto com a plataforma de desenvolvimento do hardware fornecida no kit de avaliação, a Renesas fornece um conjunto abrangente de pacotes de software projetados para executar sob ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) Embedded Workbench da IAR Systems, ou IDE e² Studio próprio da Renesas. Construído no pacote de driver Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) da Arm, o software usa construções familiares aos desenvolvedores de código para processadores baseados em Arm.

Talvez o mais importante, as rotinas de amostra nos pacotes de software da Renesas fornecem um modelo executável para desenvolvimento personalizado de software. Por exemplo, a implementação da sequência de operação EHC mostrada na figura 5 requer uma série de procedimentos de inicialização necessários para minimizar o consumo de energia durante os estágios principais, como o carregamento inicial e carregamento da bateria secundária. Uma rotina de inicialização fornecida com o software de amostra demonstra cada um destes procedimentos de inicialização e configuração. Melhor ainda, a Renesas fornece aos desenvolvedores um caminho transparente no uso desta rotina de inicialização para mudar parâmetros conforme necessário e inseri-los no seu próprio código do software dentro da sequência de inicialização (figura 8).

Figura 8: incluído na distribuição do software da Renesas, o código de amostra para inicialização das capacidades de coleta de energia do MCU RE01 demonstra cada uma das etapas necessárias, enquanto destaca onde os desenvolvedores podem modificar parâmetros ou inseri-los no seu próprio código do software. (Fonte da imagem: Renesas)

Ao usar o kit de avaliação da Renesas e pacotes de software, os desenvolvedores podem explorar de forma rápida os diferentes modos de operação do MCU RE01 e avaliar métodos de coleta de energia. Por fim, este ambiente fornece uma plataforma eficaz para prototipagem de forma rápida de sua própria aplicação e desenvolvimento personalizado.

Conclusão

A coleta de energia oferece uma solução eficaz para reduzir o tamanho da bateria e aumentar sua duração em sistemas de baixo consumo de energia, como dispositivos IoT, mas a abordagem pode acrescentar tamanho, complexidade e custo ao projeto de forma mensurável. Uma abordagem mais integrada é necessária.

Empacotados com vários blocos funcionais e periféricos, uma família de MCUs da Renesas inclui um subsistema de coleta de energia no chip que agiliza e simplifica o projeto do sistema de coleta de energia. Ao trabalhar com placas de desenvolvimento e software associados, os desenvolvedores podem, de forma rápida, avaliar, prototipar e criar projetos personalizados capazes de tirar todo proveito dos benefícios da coleta de energia usando dispositivos pequenos e de baixo custo.