Содержание к диссертации
Введение
1 Критический анализ существующих технических решений для контроля взрывоопасных и токсичных газов 10
1.1 Актуальность создания нового прибора для контроля утечек взрывоопасных и токсичных газов 10
1.2 Портативные и стационарные газоанализаторы 12
1.3 Электрохимические сенсоры для контроля токсичных газов 15
1.4 Термокаталитические сенсоры для определения взрывоопасности смеси горючих газов 18
1.5 Полупроводниковые газовые сенсоры 21
1.6 Оптические газовые сенсоры 23
1.7 Обработка данных с аналоговых сенсоров 25
1.8 Беспроводные энергонезависимые газоанализаторы 28
1.9 Выводы к главе и постановка задач 35
2 Конструктивно-технологические принципы создания беспроводного энергонезависимого газоанализатора 38
2.1 Определение основных требований к устройству 38
2.2 Структура беспроводного энергонезависимого газоанализатора 39
2.3 Универсальная цифровая платформа для интеграции газовых сенсоров различного типа 43
2.4 Специализированный источник питания с альтернативными источниками энергии 51
2.5 Цифровой газовый датчик 55
2.6 Выносной цифровой модуль газовых датчиков 72
2.7 Программное обеспечение беспроводного энергонезависимого газоанализатора 76
2.8 Выводы 83
3 Разработка микросборок силовых ключей и приемопередатчика для беспроводного энергонезависимого газоанализатора 86
3.1 Технология трехмерной объемной интеграции 86
3.2 Разработка микросборки силовых ключей 104
3.3 Разработка микросборки приемопередатчика 109
3.4 Выводы 113
4 Разработка математической модели энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора для оценки времени его автономной работы 115
4.1 Введение 115
4.2 Модель беспроводной системы мониторинга утечек токсичных и взрывоопасных газов 115
4.3 Модель энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора с функциями конечного устройства 117
4.4 Модель энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора с функциями маршрутизатора сети 125
4.5 Экспериментальные исследования энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора 127
4.6 Выводы 135
5 Методы увеличения продолжительности автономной работы беспроводного энергонезависимого газоанализатора 137
5.1 Программно-аппаратные методы 137
5.2 Использование альтернативных источников энергии 138
5.3 Использование солнечных батарей и специализированных контроллеров 140
5.4 Использование радиочастотных энергомодулей 142
5.5 Использование пьезоэлектрических энергомодулей 151
5.6 Выводы 155
Заключение 157
Список литературы 159
Приложение А. Полученные свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ 171
Приложение Б. Акт внедрения результатов диссертационной работы 177
- Беспроводные энергонезависимые газоанализаторы
- Технология трехмерной объемной интеграции
- Экспериментальные исследования энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора
- Использование радиочастотных энергомодулей
Беспроводные энергонезависимые газоанализаторы
Проводные стационарные устройства, применяемые для измерения опасных газов в настоящее время, могут оказаться непрактичными в некоторых задачах, когда система промышленной безопасности состоит из сотен газоанализаторов. Причина заключается в том, что задача проведения кабельных линий в таких случаях с учетом существующих физических обстоятельств или огромного количества времени, необходимого для развертывания проводных датчиков, может считаться невозможной. Прокладка дорогостоящих кабелей, имеющих ограниченный срок годности, для получения данных с удаленных газовых сенсоров не оправдана, так как такая операция очень трудоемка и требует финансовых затрат, а также не позволяет легко располагать газоанализаторы в труднодоступных местах.
В рамках диссертационной работы принято решение разработать беспроводной газоанализатор. Рассмотрим конкурентные преимущества нового прибора с беспроводным каналом. В таблице 1.5 представлено сравнение многоканальных стационарных газоанализаторов, портативных и разрабатываемого БЭГ. Согласно сравнению различных газоанализаторов, современные системы мониторинга для контроля утечки токсичных и взрывоопасных газов должны иметь беспроводной канал связи, и иметь возможность работать автономно в случае аварийной ситуации на промышленном объекте.
Сравнение существующих газоанализаторов показывает, что современная система мониторинга не может обходиться без использования беспроводного канала связи. Использование БЭГ дает возможность осуществлять непрерывный удаленный мониторинг воздушной среды на промышленных объектах.
При разработке беспроводных устройств рекомендуется учитывать следующие основные требования: открытость сетевого стандарта, совместимость устройств, надежность, простота подключения, настройки и эксплуатации.
В настоящее время в наибольшей степени данным требованиям к беспроводному каналу соответствуют стандарты сетей WiFi, Bluetooth, ZigBee, Thread и 6LowPAN. Стандарт IEEE 802.11 Wi-Fi обеспечивает наибольшие скорости передачи информации, но устройства отличаются высоким энергопотреблением и большей стоимостью. Стандарт Bluetooth IEEE 802.15.1 обеспечивает передачу на небольшое расстояние, высокую скорость и среднее энергопотребление. Стандарт IEEE 802.15.4 ZigBee обеспечивает передачу данных на больших расстояниях и низкое энергопотребление. Особенность стандарта IEEE 802.15.4 ZigBee состоит в том, что для повышения дальности связи устройства поддерживают функции ретрансляции и маршрутизации [19]. В таблице 1.6 представлено сравнение основных технических характеристик WiFi, Bluetooth и ZigBee. Thread - сетевая технология построения беспроводных сетей с ячеистой топологией с поддержкой IP-технологии. Технология Thread объединяет в себе преимущества сетей, поддерживающих IP-протокол с возможностью беспрепятственного доступа к сети интернет или IP-сети, и сетей с поддержкой ячеистой топологии с возможностью самовосстановления и ретрансляции сообщений, а также поддержкой «спящих» узлов, которые должны работать от источника питания малой емкости. Технологии Thread и Zigbee используют асинхронный режим работы в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4, который определяет реализацию физического уровня PHY и уровня MAC. При разработке Thread и ZigBee большое внимание уделялось минимизации накладных расходов верхних сетевых уровней и созданию эффективного формата инкапсулируемых сообщений.
Thread представляет собой адаптацию технологии 6LoWPAN, использующей сжатие IP-заголовков в ячеистых сетях. С точки зрения сокращения числа байтов Thread лучше всего работает, когда основным протоколом является UDP. Сжатие заголовков UDP и IP может снизить накладные расходы каждого пакета с 40 до 2 байт при локальном обмене в ячеистой сети, что значительно сокращает время передачи и обработки. Пересылка пакетов на канальном уровне является еще одной важной особенностью 6LoWPAN. Узлы могут быстро и эффективно маршрутизировать пакеты в ячеистой сети без обработки на сетевом уровне. Эта функция экономит вычислительные ресурсы центрального процессора и улучшает параметры энергопотребления.
Устройства Zigbee применяют короткие 16-разрядные адреса для связи друг с другом. Уровни NWK, APS и ZCL оптимизированы для работы с бинарными данными, передаваемыми небольшими пакетами. Как правило, пакеты, например, уведомления о пожарной тревоге или команды управления яркостью света, передаются с помощью ZCL с полезной нагрузкой в несколько байт, что позволяет снижать потребление за счет минимального времени передачи и обработки.
Для создания системы мониторинга контроля утечек токсичных и взрывоопасных газов лучше всего использовать приемопередатчики, которые позволяют работать стандартами IEEE 802.15.4 ZigBee, Thread 6LowPAN. Сети ZigBee, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных [20-21], абсолютно удовлетворяют требованиям к беспроводным системам мониторинга:
— благодаря ячеистой топологии сети и использованию специальных алгоритмов маршрутизации сеть может самостоятельно восстанавливаться и гарантированно доставлять пакеты в случаях обрыва связи между отдельными узлами;
— сетевой протокол предусматривает криптографическую защиту данных;
— низкое энергопотребление приемопередатчиков;
— сетевой протокол поддерживает функции самоорганизации.
Стандарт Bluetooth 4.2 и Wi-Fi не применяется в системах мониторинга, так как они не поддерживают сетевую топологию «каждый с каждым». Предложенные протоколы поддерживают алгоритмы самоорганизации, которая позволяет самостоятельно поддерживать работу беспроводной сети [22]. Алгоритмы самоорганизации позволяют развертывать сеть без вмешательства оператора [23]. Выбранные протоколы позволяют автоматически перенастраивать сеть при выходе из строя отдельных сетевых устройств. Эталонная сетевая модель OSI определяет функции самоорганизации и самовосстановления, стандарт ZigBee дополняет верхние уровни.
Основной особенностью спецификации сетевых протоколов ZigBee [24] является то, что она при малом энергопотреблении устройств поддерживает самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. В этой топологии все связи могут обновляться и оптимизироваться при отключении устройств из сети или при появлении новых. Данная особенность позволяет минимизировать потребление энергии в системе сбора данных, а также увеличить время работы блоков обработки информации с датчиками от автономных источников питания. Динамическая структура сети дает возможность быстрого устранения аварий с помощью прокладывания новых путей для передачи данных, обходя неработоспособный участок.
Стандарт IEEE 802.15.4 определяет физический и MAC-уровни. Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. К задачам уровня относятся: активирование/дезактивирование приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергопотребления, передача и получение пакетов через физическую среду. MAC-уровень предоставляет услуги по обслуживанию данных и обслуживанию управления на канальном уровне. Задачи уровня – сигнальное управление, доступ к каналу, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (диссоциация) с устройствами, а также – обеспечение механизма безопасности.
Thread использует стандарт взаимодействия 6LoWPAN по протоколу IPv6 и переадресацию на канальном уровне. 6loWPAN поддерживает три основные функции: адаптация размера пакетов, сжатие заголовков пакета, пересылка пакетов. Thread использует IP-маршрутизацию для пересылки пакетов. IP-таблица адресов поддерживается в виде адреса получателя сообщения и адреса следующего узла в маршруте. Совместимость ZigBee и Thread гарантируется на сетевом уровне.
ZigBee-сети поддерживают централизованное координирование узлов сети. В централизованном подходе ZigBee использует статически выделенный координатор в сети, в то время как Thread реализует эту функцию в главном звене сети, которое самостоятельно выбирается и может динамически изменяться. Thread использует протокол UDP который является транспортным протоколом без установления соединения. В таблице 1.7 перечислены различия между технологиями построения сетей ZigBee и Thread.
Технология трехмерной объемной интеграции
В рамках диссертационной работы разработаны миниатюрная микросборка приемопередатчика и микросборка силовых ключей с применением 3D технологии объемной интеграции. Предлагаемая технология основана на разбиении структуры устройства на отдельные элементы (технологические подложки) с целью их сборки в стек и последующей герметизации компаундом для обеспечения механической прочности микросборки. Основная идея технологии заключается в создании межстековой коммутации (межстековых вертикальных токопроводящих проводников) на боковой поверхности микросборки за счет покрытия микросборки токопроводящим металлом и последующим формированием топологического рисунка. Собранное по такой технологии устройство обладает меньшими планарными габаритами, а также защитой от внешних воздействий различного вида [68]. При разбиении устройства на отдельные технологические подложки появляется возможность независимой проверки каждой функциональной части устройства, что положительно сказывается на коэффициенте выхода годных производственного процесса [69].
Эта технология схожа с перспективной технологией миниатюризации 3D-SiP (Three Dimensional System In Package). Технология 3D SIP заключается в упаковке нескольких электронных подсистем в одну функциональную высокоинтегрированную систему [70]. Пример объемной и многокристальной упаковки [71] по технологии 3D SiP показан на рисунке 3.1. Такая система содержит 2 или более уровней. В роли таких уровней выступают технологические подложки, на которые монтируются различные корпусные электронные компоненты и кристаллы микросхем [72-73]. В технологии для соединения подсистем используется [74-77] шариковый припой BGA (Ball grid array — массив шариков), термокомпрессионная микросварка, монтаж перевернутого кристалла (Flip Chip), а также вертикальные межсоединительные проводники VIP (Vetical Interconnect Pillar) [78].
Для миниатюризации БЭГ были применены специально разработанные микросборка приемопередатчика и микросборка силовых ключей. Микросборки были изготовлены на основе собственной технологии 3D компоновки с использованием межстековых вертикальных токопроводящих проводников. Основные этапы разработанной технологии трехмерной интеграции схематично представлены ниже в таблице 3.1 с пояснениями.
Сборка технологических подложек в стек с использованием технологической оснастки, спроектированной под заливку многоуровневой сборки специальным эпоксидным компаундом (рисунок 3.4). Герметизация технологического стека с использование компаунда в специальной технологической оснастке, полимеризация компаунда (рисунок 3.5). Компаунд используется для обеспечения герметичности, механической прочности и формирования межстековой коммутации на поверхности.
После полимеризации компаунда, залитая заготовка обрезается высокоточным оборудованием до необходимых размеров (рисунок 3.6). Операция позволяет «оголить» на боковой поверхности микросборки металлизированные контактные площадки, предназначенные для вертикальной интеграции. Очистка микросборки от загрязнений.
Подготовка поверхности к нанесению токопроводящего покрытия. Нанесение на поверхность микросборки металла необходимой толщины различными методами (рисунок 3.7). Исследование токопроводящего покрытия. Исследование технологического процесса создания микросборок
В рамках диссертационной работы стояла задача подобрать оптимальные параметры технологической операции и материалы для герметизации трехмерного модуля. Был рассмотрен ряд наиболее часто используемых и подходящих по характеристикам компаундов, подобраны оптимальные режимы полимеризации компаундов, проведены экспериментальные исследования на совместимость используемых материалов и проверка надежности готовой микросборки. На предварительных этапах отладки технологии создания модуля был отлажен процесс заливки и полимеризации компаунда. Для получения герметичного, бездефектного модуля, в технологический маршрут были включены операции подготовки и обработки заливочных форм при помощи разделительной смазки на восковой основе ВС-М, преднагрев форм и заливочного компаунда для улучшения текучих свойств, многостадийная дегазация компаунда в вакуумной камере (давление менее 2 Па). Также были опробованы различные температурные режимы отверждения залитого компаунда, влияющие на его конечные механические свойства и, как следствие, на надежность микросборки.
В рамках диссертационной работы на первом этапе были исследованы характеристики более 10 популярных герметиков, которые применяются в микроэлектронике. На втором этапе отобраны 3 типа герметиков (тип A – Технэк-90, тип B – Технэк-200, тип C – ЧЦК-48), подходящих для применения в силовой микроэлектронике [79]. Для использования в технологическом процессе подходят герметики с широким диапазоном рабочих температур, твердые, влагостойкие, с высоким коэффициентом теплопроводности. На рисунке 3.9 представлены зависимости температурного коэффициента расширения (ТКР) (%) от рабочей температуры для каждого герметика (тип A,B,C).
Для выбора подходящего компаунда были проведены лабораторные исследования согласно российскому ГОСТ Р 51368-99. Экспериментальные исследования осуществлялись с целью проверить способность изделий сохранять работоспособность после воздействия верхнего и нижнего значения температуры внешней среды [80]. Эксперимент проводился в камере тепла и холода, каждая из которых обеспечивала испытательный режим с отклонениями, не превышающими указанные в ГОСТ 30630.0.0. Воздействующими факторами в проведенных экспериментах являются повышенная (+125С) и пониженная (минус 60С) температура внешней среды. Испытание на циклическое воздействие смены температур проводилось для определения способности изделий противостоять быстрой смене температур [81] [82]. Исследование состояло из резкой смены верхнего и нижнего значения испытательных температур. Термоциклирование проводилось в двух камерах ESPEC MC-812R, одна из которых была предварительно нагрета до температуры +125С, а другая охлаждена до температуры минус 60С. Применялось двадцать циклов смены температуры. Для испытаний были изготовлены экспериментальные макеты электронных блоков с печатными платами и герметизированными компаундами типа A,B,C. Результаты экспериментальных исследований изделий с различными компаундами представлены на рисунках 3.10-3.15.
Экспериментальные исследования энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора
В рамках работы над диссертацией был разработан измерительный стенд для проверки характеристик работы БЭГ с ЦГД (с электрохимическими сенсорами ME2-CO, TGS-5141, Alphasense O2-A3) в составе беспроводной сенсорной сети стандарта IEEE 802.15.4 ZigBee. Стенд предназначен для проверки работы экспериментальных образцов в беспроводных сетях по стандарту беспроводной передачи данных IEEE 802.15.4. Фотография измерительного стенда представлена на рисунке 4.3. В состав измерительного стенда вошли следующие приборы: осциллограф Teledyne Lecroy HDO6054-MS, программируемый источник питания Rohde & Schwarz HMP2020, векторный генератор сигналов Rohde & Schwarz SMW200A, векторный генератор сигналов Rohde & Schwarz SGS100A, анализатор спектра Rohde & Schwarz FSW26, модуль цифрового сигнального интерфейса EX-IQ-BOX, анализатор токов Keysight CX3322A, персональный компьютер. Выбор оборудования для измерительного стенда обусловлен необходимостью точных измерений характеристик БЭГ.
На рисунке 4.4 представлена осциллограмма тока потребления БЭГ, в таблице 4.1 представлены режимы работы БЭГ с функциями конечного устройства. В качестве источника энергии для БЭГ используется лабораторный источник питания R&S HMP2020.
На рисунке 4.5 представлен анализ энергопотребления БЭГ во время активной работы приемопередающего модуля.
Как было ранее отмечено, для передачи информационного пакета в сенсорную сеть используется технология множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Из-за этого количество включений и выключений приемника или передатчика за 1 цикл передачи данных может быть в диапазоне 1-3 раза или более (в зависимости от программной настройки приемопередающей микросборки). Реальная пропускная способность пакетов в стандарте IEEE 802.15.4 сильно зависит от вероятности коллизий, от служебных пакетов (MAC запросы). На рисунке 4.6 представлена такая зависимость от вероятности успешной передачи данных.
Во время лабораторного исследования было подключены дополнительные ZigBee модули, которые генерировали информационные пакеты передаваемые координатору. Экспериментальные исследования энергопотребления БЭГ показали, что при высоком трафике данных в рабочем диапазоне частот значительно увеличивается время на передачу данных координатору.
На рисунке 4.7 представлена осциллограмма тока потребления БЭГ в режиме, при котором микросборка приемопередатчика несколько раз отправляла данные в сенсорную сеть и получала служебные пакеты подтверждения.
Используя разработанную математическую модель можно вычислить время автономной работы устройства в составе беспроводной сенсорной сети. Результаты подсчета представлены в таблицах 4.2 и 4.3. График зависимости продолжительности работы от продолжительности спящего режима, среднего количества попыток передачи и приема за один цикл , а также используемого алгоритма работы представлен на рисунках 4.8 и 4.9.
При исследовании энергопотребления БЭГ были использованы ЦГД с электрохимическими чувствительными элементами ME2-CO, TGS-5141, O2-A3. В случае применения термокаталитических датчиков (таблица 1.2), полупроводниковых датчиков (таблица 1.3) или NDIR-датчиков газа (таблица 1.4) возрастет средний ток потребления спящего режима на величину, которая прямо пропорциональна потребляемой мощности конкретного датчика газа за 1 цикл измерения.
Лабораторные исследования энергопотребления БЭГ с ЦГД при разных режимах работы показали существенные отличия в среднем токе потребления. Чем выше средний ток потребления БЭГ в спящем режиме, тем меньше продолжительность автономной работы устройства. Средний ток потребления в спящем режиме напрямую зависит от используемых ЦГД с разными чувствительными элементами. Например, использование комбинированной модели – работы по расписанию и по событию позволяет значительно уменьшить количество активных режимов ЦГД.
Использование радиочастотных энергомодулей
В качестве альтернативного источника энергии для источника питания БЭГ можно использовать радиочастотный энергохарвестер [108]. Радиочастотные энергохарвестеры могут собирать направленную радиочастотную энергию и преобразовывать ее в постоянный электрический ток, который может быть использован для подзарядки батарей или питания безбатарейных устройств. Малогабаритные не зависящие от погоды и внешних условий харвестеры радиоизлучения, преобразующие энергию радиоволн в постоянное напряжение питания.
Для экспериментального подтверждения возможности использования радиочастотных энергомодулей были проведены исследования. Во время его проведения были сделаны замеры мощности радиоизлучения на поверхности 270 разных мест города. Измерения проводились в диапазоне частот 0,3…3 ГГц, в который входят основные источники излучения: цифровое телевидение, сотовая связь GSM900/GSM1800, WiFi, 3G. Согласно результатами исследования [109-110] (рисунок 5.4) наиболее перспективным для систем сбора энергии оказываются диапазоны сотовой связи 880…960 МГц (GSM900) и 1710…1880 МГц (GSM1800). Результаты мощности радиоизлучения в Лондоне (таблица 5.2) доказывают возможность использования радиочастотных энергомодулей при создании малопотребляющих беспроводных устройств.
Главная особенность радиочастотного энергохарвестера – это его эффективность, которая зависит от наличия соответствующей инфраструктуры [111]. В сельской местности или в труднодоступных районах радиоизлучение (плотность энергии) гораздо слабее, чем в городах.
В рамках диссертационной работы для оценки возможности использования радиочастотных энергохарвестеров в источнике питания для БЭГ были проведены исследования отладочных плат с RF-DC преобразователями PCC110 и PCC210 по сбору и накоплению энергии радиоизлучения. Отладочная плата позволила исследовать в частотном диапазоне RF-DC преобразователи PCC110 и PCC210 по сбору и накоплению энергии радиоизлучения. Был проведен анализ эффективности RF-DC преобразователей согласно таблице 5.3, результаты представлены в таблице 5.4. Из рисунка 5.4. можно сделать вывод о том, что RF-DC преобразователи рекомендуется использовать на рабочий диапазон частот 902-928 МГц. На рисунке 5.5 представлены графики зависимости эффективности работы RF-DC преобразователей на разных исследуемых частотах с использование зарядного запасающего конденсатора на 1,2 В.
После проведенных исследований RF-DC преобразователей для создания источника питания БЭГ было принято решение использовать оптимизированные модули P2110 и P1110 с встроенными RF-DC преобразователями. Пиковая эффективность модулей Powercast получена на частоте 915 МГц и превышает 60% для P1110 и P2110.
Максимальный выходной ток от радиохарвестеров 50мА, что позволяет использовать его для устройств на основе малопотребляющих микроконтроллерах. Внутренняя структура приемника модулей представляет собой RF-DC преобразователь, повышающий преобразователь напряжения и контроллер напряжения. Внутренняя структура приемника Powercast P1110 отличается от P2110 отсутствием контроллера напряжения. Для использования радиочастотного энергомодуля P2110 требуется внешний запасающий конденсатор, который определяет величину накапливаемой энергии VCAP. Данный конденсатор должен иметь очень малые токи утечки, в таком случае подходят лишь LOW ESR танталовые, полимерные конденсаторы или специализированные ионисторы. Величина данной емкости определяет время включения (во время достижения VMAX) и выключения энергохарвестера (во время достижения VMIN). Таким образом, конденсатор с меньшей емкостью зарядится быстрее и позволит раньше получить выходное напряжение питания. Однако, время его разряда также меньше, а значит – меньше и время доступности напряжения питания на выходе. Выходное напряжение энергохарвестера VOUT формируется из напряжения запасающего конденсатора с помощью повышающего преобразователя. Для работы энергомодуля требуется стандартная антенна сопротивлением 50 Ом.
В рамках диссертационной работы был исследован радиочастотный энергохарвестер компании Powercast P2110, который может быть использован в малопотребляющих автономных беспроводных устройствах. Данный радиочастотный энергомодуль преобразовывает радиочастотную энергию в постоянный электрический ток и сохраняет его в подключенном аккумуляторе или ионисторе. Внешний вид и временная диаграмма его работы представлены на рисунке 5.6. Основные характеристики радиочастотного энергохарвестера представлены в таблице 5.5. С целью определения наилучшего метода использования радиочастотного энергомодуля P2110 в специализированном источнике питания БЭГ была использована специализированная отладочная плата (рисунок 5.7). Отладочная плата позволяет проверять характеристики радиочастотного энергомодуля от разных условий эксплуатации, а также в зависимости от типов антенн и характеристик внешних компонентов в схеме [112]. Схема электрическая отладочной платы представлена на рисунке 5.8
Для проведения лабораторных испытаний было создано программное обеспечение для проверки характеристик радиочастотного энергомодуля во временной области.
Условия лабораторных испытаний: отладочная плата с подключенной специализированной антенной располагается на столе, в N метрах от нее перпендикулярно устанавливается радиочастотный источник мощности 3 Вт с рабочей частотой 915 МГц. В испытаниях использовалась патч-антенна с усилением 4,1дБ и имеющую направленности 122 по горизонтали, 68 по вертикали, емкостью 50 Ом. Емкость ионистора C3 1000мкФ, емкость С5 – 50мФ.
Результаты исследования радиочастотного энергохарвестера представлены на рисунке 5.9 и 5.10, красный график – выходное напряжение, синий график – напряжение на накапливающем конденсаторе. Как видно из результатов исследования, выходное напряжение зависит от доступной мощности излучателя, которая в свою очередь зависит от расстояния до источника излучения.
Также время при котором радиочастотный энергомодуль позволяет получить на выходе 3,3В напряжения напрямую зависит от емкости и токов утечки накапливающего элемента – конденсатора и ионистора.
Согласно лабораторным испытаниям, использование фонового радиоизлучения для питания малопотребляющих автономных электронных устройств возможно. Фоновое радиоизлучение мало зависит от погодных условий, но сильно зависит от наличия радиочастотных источников в окружении. Использование радиочастотного энергомодуля возможно лишь в БЭГ на основе электрохимических сенсоров, и только с учетом, что все конденсаторы, используемые в схеме БЭГ будут иметь малые токи утечки. Массовое использование специализированных конденсаторов с малыми токами утечки значительно повышают итоговую стоимость БЭГ.
В приложении А представлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ - Программное обеспечение для исследования работы источника питания беспроводного сенсорного узла на основе альтернативных источников энергии.