Rilevamento intelligente per i terreni agricoli: il sistema di Renesas

Per utilizzare pesticidi, fertilizzanti e acqua in modo efficiente è necessario misurare accuratamente le variazioni all’interno del campo coltivato. Affinché anche l’alimentazione delle applicazioni di monitoraggio sia efficiente, si può scegliere di recuperare l’energia dall’ambiente.

Ken Imai, Senior Marketing Manager di Renesas, illustra un sistema di monitoraggio delle condizioni del suolo che utilizza la tecnologia Energy Harvesting per fornire l’energia necessaria alla gestione del sensore e dei dati che ne derivano (temperatura e umidità del suolo). Il componente principale del sistema è il microcontrollore Renesas RE01, che gestisce la potenza disponibile in ogni momento e integra un controllore Energy Har- vesting. “Per prima cosa dobbiamo considerare il bilancio di energia disponibile nel sistema ed essere in grado di alimentare il microcontrollore, i componenti elettronici associati al sistema, i sensori e la radio LoRa che, in questa applicazione, è la maggiore responsabile del consumo di energia”. Il sistema deve gestire l’energia raccolta dall’ambiente, immagazzinarla fino a quando il livello è sufficiente per leggere i sensori e inviare un messaggio via radio all’host computer. Occorre poi selezionare le sorgenti di energia. Nel caso specifico sono stati scelti PowerSpike di Matrix Industries, un componente unico che genera energia utilizzando la tecnologia Teg dalla differenza di temperatura tra sottosuolo (in questo caso meno di 20cm sotto la superficie del terreno) e aria sulla superficie, e la cella solare AM1816CA di Panasonic.

I componenti del sistema 

Il dispositivo RE01 richiede meno di 35uA per MHz in active mode e solo 120ns in stand-by mode. La sua architettura consiste di diversi domini interni ed esterni, in grado di lavorare con una ampia gamma di tensione operativa, che consente di operare a 64MHz anche in caso di livelli di tensione di alimentazione estremamente bassi. RE01 contiene anche una grande varietà di periferiche a bordo, tra cui un convertitore analogico-digitale a 14bit che può funzionare anche quando l’intero dispositivo consuma meno di 4uA. Il controllore per Energy Harvesting consente di raccogliere energia da diverse sorgenti di energia rinnovabili, caricare batterie ricaricabili esterne e super cap e alimentare dispositivi esterni quali, appunto, radio e sensori. Nelle applicazioni Energy Harvesting embedded si può però presentare il problema della inrush current, che, essendo elevata, potrebbe fare collassare le sorgenti di raccolta di energia. Con RE01 l’accensione richiede invece pochissima energia, soli 5uA. Renesas ha poi selezionato il componente SCMQ14C474MRBA0 di AVX per gestire la riserva di energia e un convertitore Dc-Dc della famiglia Mercury di Matrix per convertire l’uscita dal Teg in una tensione utilizzabile. Come sensore principale è stato scelto il Renesas HS3001, un sensore di umidità e temperatura ad alte prestazioni, ideale per lo sviluppo di applicazioni smart nel campo dell’agricoltura. La radio LoRa selezionata è invece la DRF1262G di Dorgi.

Come funziona il monitoraggio

L’energia raccolta dalle sorgenti Energy Harvesting viene immagazzinata in un super cap controllato da RE01. Dopo 90 secondi, RE01 si accende e verifica il livello di energia immagazzinata nel super cap. Se c’è abbastanza energia, allora i sensori e la radio si accendono, si esegue la misura e i dati sono trasmessi attraverso la radio LoRa. “Il vantaggio del sistema è rappresentato dal fatto che RE01 è in grado di accendersi e inizializzarsi utilizzando il proprio controllore Energy Harvesting per gestire la limitata quantità di energia disponibile: un normale microcontrollore non saprebbe operare con risorse così limitate”, commenta Imai. Il sistema di monitoraggio dello stato del suolo è attualmente in test in varie località nel mondo per verificarne l’affidabilità in condizioni operative reali.