Energian kulutuksen minimointi energiaomavaraisessa sulautetussa järjestelmässä

Energian keräämisellä tämän työn yhteydessä tarkoitetaan pienten vapaasti saatavilla olevien energioiden muuttamista sähköksi. Energiankeräin ja energianhallintapiiri muodostavat energiankeräyslaitteiston, joka pystyy muuttamaan ja varastoimaan esimerkiksi mekaanista energiaa sähköksi, ja syöttämään tätä ulos sopivalla ulostulojännitteellä. Energiankeräyslaitteistot tuottavat tehoa 1 – 100 W sitä käyttöenergianaan käyttävälle laitteistolle. Energiaa käyttävä laitteisto suorittaa jotain tehtävää ja sillä voi olla prosessointikykyä tai se voi olla analogielektroniikkaa. Tehtävä on yksinkertainen johtuen käytettävissä olevan tehon määrästä, kuten esimerkiksi sähkölukko, joka lukee kulunvalvontatietoja avaimesta ja saa käyttöenergiansa joko ovenkahvan tai avaimen kääntöliikkeestä. Yhä useammin laitteistoilta vaaditaan langattomuutta ja perinteisesti tällaiset laitteet ovat paristokäyttöisiä, langattomaan tiedonsiirtoon kykeneviä laiteita. Jos vapaata energiaa on saatavilla toimintaympäristössä, energiaomavarainen laite pystyy toteuttamaan saman toiminnallisuuden ja jättämään pois pariston säästäen laitteiston käyttökuluissa. Säästö tulee esimerkiksi paristojen hinnassa ja vaihtokuluissa. Jotta langaton tiedonsiirto on mahdollista toteuttaa energiaomavaraiseen laitteistoon, on radion ja tietoa tuottavan laitteen oltava erittäin vähän virtaa kuluttavia. Tämän saavuttamiseksi piirivalmistajat kehittävät jatkuvasti pienitehoisempia radioita ja mikrokontrollereita. Ohjelmistokehittäjän vastuulle jää tehdä edellä mainittuja hyvällä hyötysuhteella käyttäviä ohjelmistoja. Diplomityö jakautuu kahteen osaan. Kirjallisuustutkimusosassa on tutkittu energiankeräysmenetelmiä ja langatonta tiedonsiirtoa. Tavoitteena on ollut ymmärtää, miksi IoT-tiedonsiirtolaitteiston energiankulutuksen minimointia tarvitaan. Toisessa osassa kerrotaan projektista, jossa työ tehty sekä järjestelmästä, minkä avulla työtä on tehty. Työosuudessa on kehitetty tiedonsiirtosovellusta Internet of Things (IoT) -laitteistolle, joka saa kaiken käyttösähkönsä energiankeräyslaitteistolta. Kun sen toiminnallisuus on saatu valmiiksi, sovellusta on optimoitu virrankulutuksen suhteen mahdollisimman pieneksi. Tavoitteena työssä on ollut tutustua tapoihin, joiden avulla energiankulutusta saadaan minimoitua järjestelmäpiirissä, joka sisältää ja käyttää Bluetooth Low Energy (BLE) radiota langattomaan tiedonsiirtoon. Työn tuloksena saavutettiin huomattava sähkönkulutuksen väheneminen. Minimivirrankulutus optimoimattomassa tiedonsiirtosovelluksessa oli noin 540 µA ja keskiarvo noin 1,1 mA. Optimoinnin tuloksena saavutettiin minimivirrankulutus noin 3,1 µA, kun järjestelmä on syväunitilassa, ja keskiarvokulutus noin 295 µA. Nämä säästöt saavutettiin optimoimalla radioliikenteen toimintaa ja sammuttamalla mahdollisimman paljon turhaan virtaa kuluttavia järjestelmäpiirin osia. Ohjelmistossa pidettiin myös huoli, että syväunitilan ajaksi kaikki sovelluksen käyttämät osat sammutettiin. Ohjelmistoa kehitettäessä tutustuttiin mahdollisimman tarkasti sen toimintaan ja se käytännössä optimoitiin tätä kyseistä sovellusta varten