Materialintegrierte Sensorische Systeme

Energie und Energiemanagement

Energiequellen

Physikalischen Größe und Materialien/Komponenten:

Wärme: Thermoelektrika
Schwingung: u. a. Piezoelektrika
Bewegung: u. a. Piezoelektrika, Generatoren
Elektromagnetische Wellen: Antennen
Licht: Solarzellen

Natürliche und technische Quellen:

Abwärme von Maschinen vs. Körperwärme des Menschen
Schwingung/Bewegung von Maschinenelementen vs. Bewegung des Menschen/von Tieren
Beleuchtung in Innenräumen vs. Sonnenlicht etc.

Energiequellen

Energiequellen

Angebot

figenharv2 [R. J. M. Vullers, 2009]

Nachfrage

figenharv3 [C. O. Mathuna, 2008]

Energiequellen

Grundprinzip: Methoden der Umsetzung

Mechanisches System: System aus Feder, Masse und Dämpfer.

Piezoelektrische Konverter
Elektromagnetische Konverter
Elektrostatische Konverter

figenharv4 [S.Boisseau, 2012]

Energiequellen

Thermische Systeme: Ausnutzung des Seebeck Effekts, d.h. Spannungsabfall in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen

Energiequellen

Optische Systeme: Ausnutzung des fotoelektrischen Effekts (Solarzellen, Fotodioden)

Energiemanagement

Energieernte muss eingebettet in das Gesamtsystem betrachtet werden.
Energiemanagement findet auf verschiedenen Ebenen statt:
- Systemebene
- Netzwerkebene
- Sensorknotenebene
- Gerätebene (Mikroprozessor, IO Prozessoren, ..)
- Sensorebene

figem1

Energiemanagement

Verbraucher

Energieverbraucher in einem materialintegrierten Sensornetzwerk:

Signalverarbeitung analog
Signalverarbeitung digital
Datenverarbeitung
Kommunikation innerhalb des Netzwerks und nach außen
Verluste/begrenzte Wirkungsgrade: Leitung, Speicherung etc.

figem2 [S.Boisseau, 2012]

Energiemanagement

Energiemodell

Zeitliche Komponente: Sowohl Energieverbrauch als auch Energiegewinnung sind Funktionen der Zeit

Energiemodell: Jeder Sensorknoten verfügt über einen Energiespeicher, der

Über eine zeitlich fluktuierende Energiequelle (Energy Harvester) mit Energie gespeist wird, und der
Durch Berechnungs- und Kommunikationaktivität (Digitale Signalverarbeitung) des Sensorknotens entladen wird,
Und analoge Signalverarbeitung führt zu einer Entladung des Speichers.

\begin{gathered} E(t) = {E_0} + \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{harvest}}(\tau )} - \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{computing}}(\tau )} - \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{analog }}(\tau )} \hfill \\ {e_{computing}}(t) = \sum\limits_{i = 0}^n {{e_{instruction}}(i)} \hfill \\ \end{gathered}

Energiemanagement

Energiemanagement

Maßnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs in Sensornetzwerken:
- Erfassung und Verarbeitung von Messwerten nicht kontinuierlich, sondern in bestimmten Zeitintervallen.
- Verkürzung der Zeitintervalle bei kritischen Betriebszuständen.
- Normalbetrieb mit reduzierter Sensoranzahl, aktivieren weitere Sensoren bei kritischen Betriebszuständen.
- Datenverarbeitung in Abhängigkeit vom Betriebszustand - Normalbetrieb mit energetisch vorteilhaften Algorithmen auf Kosten der Genauigkeit, bei kritischen Betriebszsutänden Wechsel zu energetisch aufwändigeren, aber numerisch genaueren Algorithmen.

Algorithmische Selektion

Beispiel für die Auswirkungen einer an die Energiesituation angepassten Wahl des Algorithmus zur lokalen Datenverarbeitung in den Knoten eines Sensornetzwerkes ist ein PID-Regler.

Energiemanagement

Leistungsbedarf von Digitalelektronik hängt von der mittleren Schaltaktivität von Logikgattern pro Zeiteinheit ab
- Parasitäre Kapazitäten und Verlustwiderstande sind Ursachen

Energiespeicher

Energie wird i.A. in Form von elektrischer Energie gespeichert.

Batterien
Kondensatoren (Supercaps)