energy harvesting למוצר IoT: כשהחלפת הסוללה היא הבעיה האמיתית
בפריסה של מאות חיישנים אלחוטיים, העלות הגדולה אינה החומרה — היא הטכנאי שמגיע פעם בשנתיים להחליף סוללות בכל יחידה. בדיוק שם נכנס energy harvesting למוצר IoT: קציר אנרגיה מהסביבה שבה המוצר כבר נמצא — אור, הפרש טמפרטורות, רעידות, שדה רדיו — והפעלת המוצר ממנה, עם אחסון קטן שמגשר על תקופות חושך או שקט. זו לא טכנולוגיה עתידנית: מחשבוני שולחן סולריים ומתגי תאורה אלחוטיים ללא סוללה עובדים כך כבר שנים. השאלה היחידה שקובעת אם זה מתאים למוצר שלכם היא אריתמטיקה פשוטה של הספק.
קודם כול: תקציב ההספק
לפני שבוחרים טכנולוגיית קציר, מחשבים כמה אנרגיה המוצר צורך ליום. מכפילים כל פעולה בזרם ובמשך שלה: שינה עמוקה ברוב הזמן, התעוררות, קריאת חיישן, שידור, המתנה לאישור. במוצר שנשלט נכון, השידור הוא כמעט כל התקציב, והשינה כמעט אפס — ולכן ההבדל בין מוצר שאפשר להזין מקציר אנרגיה למוצר שאי אפשר נקבע בקושחה לא פחות מאשר בחומרה. הבסיס לכך מפורט במאמרים על מצבי שינה במיקרו-בקר ועל תכנון מוצר שמחזיק שנים על סוללה אחת. אם התקציב היומי שלכם נמדד במילי-אמפר-שעות בודדות — יש סיכוי. אם הוא נמדד במאות — קציר אנרגיה לא יציל אתכם.
מקורות אנרגיה ומה כל אחד באמת נותן
- פוטו-וולטאי. המקור הנפוץ והצפוי ביותר. בחוץ מדובר בהספק גבוה יחסית; בתוך מבנה, תחת תאורה מלאכותית, ההספק קטן בסדרי גודל — ותאים שתוכננו לתאורה פנימית עובדים שם הרבה יותר טוב מתאים סטנדרטיים.
- תרמו-אלקטרי. מנצל הפרש טמפרטורה קבוע בין שני משטחים — צינור חם מול אוויר, מנוע, תהליך תעשייתי. דורש גוף קירור אמיתי, אחרת ההפרש נעלם תוך דקות.
- פייזו-אלקטרי וקינטי. רעידות מכונה, לחיצת כפתור, תנועה. מתאים במיוחד למוצרים שמשדרים אירוע בודד — מתג שמפיק את האנרגיה מהלחיצה עצמו.
- אנרגיית שדה רדיו. הספק זעום, אך מספיק לתגיות פסיביות. זה בדיוק העיקרון שמאחורי הטכנולוגיות שסקרנו במאמר על NFC ו-RFID במוצר.
שרשרת ההמרה: איפה האנרגיה נעלמת
קציר אנרגיה אינו רק בחירת מקור. המקורות האלה מספקים מתח נמוך, לא יציב ומשתנה, ולכן נדרש מעגל ניהול ייעודי: מעגל התנעה שמסוגל לעבוד ממתח זעיר, מעקב אחר נקודת ההספק המרבית, והמרה למתח העבודה. כאן ההבדל בין רכיב מתאים לרכיב שגוי הוא ההבדל בין מוצר שעובד למוצר שלא מתעורר לעולם — נושא שנוגע ישירות למאמר על בחירת רכיב הספק למעגל. שימו לב במיוחד לזרם השקט של כל רכיב במסלול: כאשר תקציב האנרגיה כה קטן, רגולטור שצורך כמה עשרות מיקרו-אמפר לעצמו יכול לבלוע את כל היבול.
אחסון: כמעט תמיד עדיין צריך משהו
קציר אנרגיה כמעט אף פעם אינו רציף, ולכן נדרש אחסון ביניים שיגשר על הלילה או על השבתת המכונה. הבחירה היא בין קבל-על (סופר-קבל) לבין תא נטען קטן. קבל-על סובל מאות אלפי מחזורי טעינה ועובד היטב בקור, אך צפיפות האנרגיה שלו נמוכה והוא דולף. תא נטען אוגר הרבה יותר, אך מספר המחזורים שלו מוגבל והוא רגיש לטמפרטורה. במוצרים רבים הפתרון המעשי הוא היברידי: קציר שמאריך את חיי הסוללה פי כמה במקום לבטל אותה. את שיקולי הבחירה עצמם פירטנו במאמרים על בחירת סוללה למוצר נייד ועל תכנון מערכת סוללה למוצר.
מה זה אומר על שאר המוצר
- פרוטוקול התקשורת נבחר לפי אנרגיה לשידור, לא לפי נוחות. חיבור קבוע לרשת אלחוטית ביתית יבטל כל תקציב קציר; שידור קצר וחסכוני מתאים הרבה יותר, כמתואר במאמר על תקשורת LoRa במוצר.
- קצב הדיווח הופך למשתנה תכנוני. דיווח פעם בשעה במקום פעם בדקה משנה את כל המשוואה — ולעיתים אף אחד לא באמת צריך את הדגימה התכופה.
- המארז והמיקום הם חלק מהמערכת. תא סולרי מאחורי חלון מלוכלך או בפינה מוצלת פשוט לא ייתן את מה שהובטח בגיליון הנתונים.
- התנהגות בהתעוררות קרה. המוצר חייב לדעת לעבוד גם כשהאחסון ריק לגמרי ולהיטען בהדרגה בלי להיתקע בלולאת אתחול.
קציר אנרגיה אינו מתאים לכל מוצר, אבל בפריסות גדולות ובמקומות שקשה להגיע אליהם הוא משנה את מודל התחזוקה כולו. מאמרים נוספים על מוצרים מחוברים תמצאו באשכול פיתוח אלקטרוניקה. אם יש לכם רעיון למוצר שאמור לחיות שנים בשטח בלי טיפול — שווה לעשות את חישוב תקציב ההספק עוד לפני שבוחרים רכיבים.
רוצים להפוך רעיון למוצר? צרו קשר עם צוות פרוג'קטס האוס בע"מ – טלפון: 054-8936922 | דוא"ל: info@projects-house.com – ונשמח ללוות אתכם משלב הרעיון ועד המדף.
