Per soddisfare al meglio i requisiti di alimentazione di queste applicazioni, garantendo al contempo progetti affidabili e durevoli, i progettisti dovrebbero innanzitutto considerare l'utilizzo di microcontrollori piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico, dotati di funzioni intelligenti e sofisticate. Questi microcontrollori sono in grado di gestire la maggior parte delle attività dell'applicazione e richiedono un minor numero di componenti passivi esterni nella progettazione di un nodo sensore. Sono inoltre caratterizzati da un basso consumo energetico e integrano funzionalità che ne aumentano la flessibilità e la semplicità.
Ad esempio, nella progettazione di nodi sensore alimentati a batteria per un sistema di sicurezza domestica, viene spesso utilizzato un rilevatore di movimento a infrarossi passivo (PIR) sia all'interno che all'esterno dell'abitazione. Un sensore PIR rileva le variazioni nella quantità di radiazione infrarossa "percepita" dagli elementi sensibili, che varia a seconda della temperatura e delle caratteristiche superficiali dell'oggetto posto di fronte al sensore. Quando una persona passa tra il sensore e lo sfondo, il sensore rileva la differenza tra la temperatura ambiente e la temperatura corporea, e viceversa. Converte quindi questa differenza nella radiazione infrarossa in ingresso in una variazione della tensione di uscita (VPIR(t)). Altri oggetti con la stessa temperatura dello sfondo, ma con caratteristiche superficiali diverse, faranno sì che il sensore rilevi un diverso schema di emissione, come si può vedere nella Figura 1.
Figura 1. Principio di rilevamento del movimento di un sensore PIR.
I livelli del segnale di uscita di un sensore PIR sono in genere molto bassi, inferiori a 1 mV. Per rilevare il movimento ed evitare falsi allarmi, il segnale analogico deve essere amplificato prima di essere campionato dal convertitore analogico-digitale (ADC). Nelle soluzioni basate su PIR, questo processo viene solitamente eseguito in più fasi utilizzando amplificatori operazionali ad alto guadagno, il che a sua volta aumenta la complessità del progetto, il numero di componenti, l'efficienza energetica e i costi, tra gli altri fattori. Continua a leggere per scoprire come un piccolo microcontrollore a basso consumo energetico può contribuire a mitigare questi effetti.
Complessità di progettazione:
un nodo sensore PIR basato su microcontrollore che offre una gamma di funzioni, come un ADC differenziale a 12 bit con un amplificatore a guadagno programmabile (PGA), richiede meno componenti esterni, occupa meno spazio sulla scheda e riduce il costo dei materiali. Si consideri il sensore PIR Click di Microchip. Si tratta di una scheda a circuito stampato che contiene tutti i componenti passivi necessari per il funzionamento di un nodo sensore PIR. La scheda Click si basa su una soluzione con amplificatore operazionale che include diversi ADC, resistori e condensatori. È stata progettata per essere molto intuitiva, al fine di semplificare la prototipazione e la valutazione. Una configurazione tipica per la prototipazione potrebbe essere costituita da una scheda Click PIR insieme alla base Microchip Curiosity Nano per schede Click™ e a un kit di valutazione Curiosity Nano. Una soluzione che utilizza un nodo sensore PIR può sfruttare un microcontrollore come l'ATtiny1627 di Microchip Technology, che incorpora un ADC differenziale a 12 bit e un PGA. Il numero di componenti esterni può essere significativamente ridotto eliminando la necessità di un amplificatore operazionale per amplificare il segnale. Questo, insieme a un convertitore analogico-digitale (ADC) esterno, consente anche di eliminare altri componenti passivi, come resistori e condensatori.
Pertanto, l'utilizzo di questo tipo di microcontrollore semplifica notevolmente la progettazione del circuito stampato per il sensore PIR click. La Figura 2 mostra i componenti che possono essere rimossi (X) e come possono essere realizzati i nuovi collegamenti (linee blu).
Nota: in questo esempio, il sensore PIR click viene utilizzato come base per le modifiche perché era più pratico rispetto alla progettazione di un nuovo circuito stampato e all'acquisto dei componenti necessari. Questa soluzione modificata non è in contrasto con lo scopo delle schede Click.
Figura 2. Esempio di modifiche al clic PIR e diagramma.
Grazie a queste modifiche, che sfruttano il convertitore analogico-digitale differenziale a 12 bit e il PGA integrati, la Figura 3 mostra anche i pochi componenti esterni necessari per la scelta del microcontrollore più adatto.
Figura 3. Click PIR modificato e schema.
Grazie a un minor numero di componenti esterni, la progettazione dell'hardware e del circuito stampato risulterà più pulita e compatta, poiché l'hardware richiede un numero inferiore di componenti esterni. Inoltre, il software e il firmware potranno essere più compatti ed efficienti, dato che il microcontrollore gestirà un maggior numero di attività. Anche la gestione dei tempi e della sincronizzazione sarà più semplice.
Quando gran parte della complessità nella progettazione dei nodi sensore viene spostata dall'hardware al microcontrollore e alla CPU (unità centrale di elaborazione) e gestita tramite firmware, diventa più flessibile modificare e aggiungere funzionalità durante il processo di sviluppo. Tutto ciò si ottiene senza dover riprogettare la scheda, con conseguente notevole risparmio di tempo e costi per i progettisti. Diventa inoltre più facile ottimizzare il codice per fattori come il consumo energetico. Semplicemente modificando le impostazioni dei parametri, i progettisti possono modificare il codice dell'applicazione, aggiungere funzionalità o ottimizzarlo per ridurre il consumo energetico o la sensibilità alle condizioni ambientali, come le variazioni di temperatura ambiente. I sensori possono avere difficoltà a rilevare una persona quando la temperatura ambiente supera i 30 °C. Un altro esempio di funzionalità aggiunta potrebbe essere l'integrazione dell'apprendimento automatico per riconoscere i modelli di movimento e insegnare al sistema a distinguere tra rumore e una persona reale che si muove verso un animale, ecc.
Nelle applicazioni di rilevamento del movimento che utilizzano sensori PIR, i microcontrollori come l'ATtiny1627 spostano la complessità dall'hardware al firmware e al software, poiché gran parte delle funzionalità necessarie sono integrate nel microcontrollore stesso. Ciò riduce la complessità e aumenta la flessibilità.
Efficienza energetica:
il consumo energetico dei nodi sensore wireless è cruciale. Maggiore è la durata della batteria, maggiore sarà la durata del nodo sensore e, di conseguenza, dell'intera rete di sensori del sistema. Questo vale per tutti i sistemi di sensori wireless. Se sono stati installati decine, centinaia o migliaia di sensori per diversi tipi di monitoraggio, un nodo verrà considerato fuori servizio o non funzionante se viene spento. Per i sistemi di sensori più grandi, la sostituzione di una batteria o del nodo stesso comporta un costo aggiuntivo per l'utente finale e significa che il sistema sarà fuori servizio o non completamente funzionante mentre il nodo è spento, il che può portare a incidenti imprevisti senza preavviso. Pertanto, maggiore è la durata della batteria, meglio è.
Grazie alle modalità di sospensione del microcontrollore e al rapido tempo di riattivazione, ogni nodo sensore può consumare una quantità minima di energia. Il nodo può rimanere in modalità standby e attivarsi rapidamente quando viene rilevato un movimento dovuto a una variazione di temperatura entro il raggio d'azione del sensore. Quindi elabora il segnale e torna in modalità standby, aumentando così l'autonomia di ciascun nodo alimentato a batteria senza necessità di sostituire la batteria. La Figura 4 mostra il funzionamento della CPU quando si utilizzano le modalità standby e il tempo di attivazione rapido. Il consumo energetico dipende dall'applicazione e varia in base alla configurazione del sensore PIR, al tempo di acquisizione del campione e ai parametri di filtraggio, che a loro volta influenzano la distanza di rilevamento e/o la sensibilità. Questi parametri possono essere regolati per ridurre ulteriormente il consumo energetico quando le esigenze dell'applicazione sono inferiori.
Figura 4. Cronologia del firmware.
I potenti microcontrollori come l'ATtiny1627 sono in grado di integrare funzioni intelligenti e sofisticate che migliorano il consumo di corrente e l'efficienza energetica, occupano meno spazio e prolungano la durata delle applicazioni alimentate a batteria e connesse, oltre a ridurre la complessità della progettazione, i costi totali del sistema e i tempi di commercializzazione.
Autore: Stian Sogstad, MCU8, Microchip Technology
