Gli oggetti connessi sono ovunque: popolano le nostre case (pensiamo ai router, ma anche ai televisori di nuova generazione, alle webcam, ai termostati intelligenti e agli smart speaker) e gli uffici, ma volano anche in cielo sotto forma di drone o tappezzano, racchiudendo di sé un corredo di sensori, i sistemi di monitoraggio usati nell'industria e nell'agricoltura, o ancora nei trasporti. La connettività rappresenta la loro vocazione, ma un aspetto da non sottovalutare per il loro funzionamento è l'autonomia delle batterie. Come estenderla il più possibile, riducendo i costi ma anche gli interventi di sostituzione? Un system engineer di Texas Instruments, Jarrod Krebs​, ci illustra le strategie più efficaci.

 

I sensori wireless stanno guadagnando popolarità con l'installazione di un crescente numero di dispositivi intelligenti nelle case e negli edifici. I dispositivi senza filo alimentati a batteria consentono un'installazione semplicissima quasi ovunque, ma cambiare spesso le batterie non è l'ideale dal punto di vista della facilità d'utilizzo o dei costi. Ad esempio, se si esegue l'aggiornamento di un edificio commerciale con nodi di sensori wireless per trasformarlo in un edificio intelligente, la modifica potrebbe comportare l'installazione di diverse migliaia di nodi di sensori wireless collegati a vari dispositivi, come termostati e rilevatori di fumo e incendio. Poiché non è pratico posare un cablaggio di alimentazione per ogni singolo nodo, le batterie sono una fonte di alimentazione necessaria. Tuttavia il costo della manodopera diventa significativo quando giunge il momento di cambiare diverse migliaia di batterie nei nodi di sensori wireless installati.

È possibile prolungare l'autonomia delle batterie nei nodi di rilevamento per l'Internet of Things (IoT) utilizzando un approccio basato sul duty cycle. In questo caso il nodo si accende, registra una misurazione del sensore, trasmette i dati in modalità wireless a un hub o gateway centrale e quindi torna a spegnersi da solo, passando a una modalità a basso consumo o con un interruttore di carico. Tuttavia, alcune applicazioni, come le reti a stella o determinati dispositivi Bluetooth, non possono rimanere a lungo in modalità a basso consumo se devono restare attivi per trasmettere o inoltrare messaggi.

Quando i dispositivi intelligenti richiedono più energia per far funzionare dei motori (come una serratura intelligente o una bocchetta intelligente), l'autonomia della batteria dipende più da come viene generata la potenza maggiore, necessaria per il funzionamento del motore, che non dalla potenza minore, necessaria per far funzionare la radio. Texas Instruments dispone di due progetti di riferimento distinti che presentano rispettivamente una serratura intelligente e un'applicazione per una bocchetta intelligente. Il progetto di riferimento Smart Lock per un'autonomia della batteria di oltre cinque anni con quattro batterie AA e il progetto di riferimento per comando intelligente di una serranda con pressione, umidità e temperatura per la diagnostica Hvac dimostrano la topologia buck CC/CC ad alta efficienza di Texas Instruments abbinata al driver motore DRV8833 a bassa tensione. Questi progetti di riferimento permettono di ottenere una lunga autonomia della batteria attraverso la scelta di una topologia energetica più efficiente per l'applicazione, in questo caso un convertitore buck ad alta efficienza, il TPS62745, ed estendendo il duty cycle degli eventi di connessione di Bluetooth Low Energy.

Schema a blocchi del progetto di riferimento per comando intelligente di una serranda

Il DRV8833 è alimentato direttamente dalle batterie, mentre il resto del sistema funziona con il rail di uscita del buck. Durante la trasmissione radio, il buck ha un'efficienza superiore al 90% a 9,1 mA. Il buck ad alta efficienza rende possibile una maggiore autonomia della batteria per l'intero sistema rispetto ad altre topologie. Il progetto di riferimento per il comando intelligente di una bocchetta consente, ad esempio, di modificare la posizione della lamella di una bocchetta. La pressione e la temperatura dell'aria nel condotto potrebbero essere automatizzate tramite algoritmi, che a loro volta consentono di controllare la ventilazione in base al fabbisogno dell'abitazione.

I sensori di pressione e temperatura consentono il monitoraggio dei componenti del sistema di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione (Hvac) e possono facilitare la pianificazione della manutenzione. In presenza di un differenziale di temperatura o pressione tra le bocchette, l'algoritmo sulla scheda potrebbe suggerire la necessità di cambiare un filtro e avvisare il proprietario dell'abitazione. Il progetto può fungere anche da regolatore del volume d'aria variabile in applicazioni commerciali. Aumentando la dipendenza dalle batterie dei dispositivi wireless di rilevamento intelligente, aumenta sempre più anche l'importanza della topologia di potenza, finalizzata a ottenere una lunga autonomia della batteria in semplici progetti di controllo dei motori e in applicazioni “always-on”.