زمانبندی وظایف در سیستم های تعبیه شده بی درنگ برداشتگر انرژی با هدف …

هزینه بالا در جایگزین کردن باطری
عدم پیوستگی در اجرای عملیات سیستم : در صورت نیاز به جایگزین کردن باطری بدلیل خرابی، اجرای عملیات سیستم با تأخیر مواجه میشود و این برای یک سیستم تعبیه شده یک نقص محسوب میشود.
بنابراین طراحان سیستم تعبیه شده بدنبال راهکاری برای رفع مشکل بودند و از جمله راهکارهای معرفی شده، بحث برداشت انرژی از محیط میباشد.
نظریه برداشت انرژی، مبحثی است برای جداسازی محدودیت انرژی از سیستمهای مبتنی بر باطری و افزایش استقلال سیستم. بطور ساده سیستم برداشتگر انرژی، سیستمی است که قسمتی یا تمامی انرژی مورد نیاز برای اجرای عملیاتش را از منابع انرژی محیط پیرامون خود بدست میآورد این منابع محیطی میتوانند شامل انرژی خورشیدی، انرژی مکانیکی، انرژی شیمیایی، انرژی حاصل از باد یا امواج دریا و … باشند. در واقع اگر سیستمها بجای منبع انرژی و ذخیره آن، دارای یک مبدل انرژی باشند و بتوانند انرژی مورد نیاز خود را از محیط دریافت کنند علاوه بر افزایش طول عمر سیستم و کاهش هزینه، این امر باعث مستقل شدن هرچه بیشتر سیستمهای تعبیه شده و رشد کارایی آنها در زندگی بشر میشود. بنابراین دو مزیت اصلی چنین سیستم هایی عبارتند از:
داشتن پتانسیل غلبه بر محدودیت انرژی تحمیل شده توسط سیستمهای تعبیه شده مبتنی بر باطری قدیمی
حفظ پیوستگی در اجرای عملیات سیستم تا زمان وقوع خطای مکانیکی
شایان ذکر است که تکنولوژی برداشت انرژی از محیط، خود به تنهایی مبحث جدیدی نیست آنچه که حائز اهمیت است اینست که چطور بتوان از قابلیت آن در جهت افزایش کارایی انرژی سیستمهای تعبیه شده برای برآورده کردن محدودیتهایش استفاده کنیم. بطور مثال چند دهه است که از انرژی خورشیدی، مکانیکی و … استفاده میشود اما مهم اینست که از توان این منابع در جهت تغذیه سیستم تعبیه شده خود استفادهی بهینه و درست را داشته باشیم ]8[.
2-7-1 اجزای سیستم تعبیهشده مبتنی بر برداشت انرژی
بطور کلی عملکرد یک سیستم برداشتگر انرژی بدین صورت است که ابتدا انرژی توسط برداشتگرهای انرژی از محیط پیرامون، برداشت شده، توسط مبدل انرژی به انرژی قابل ذخیره در باطری تبدیل میشود و در نهایت این انرژی برای اجرای عملیات سیستم تعبیه شده در اختیار آن قرار میگیرد. بنابراین اجزای یک سیستم تعبیه شده مبتنی بر برداشت انرژی عبارتند از:
برداشتگر انرژی : باتوجه به نوع انرژی محیطی، ابزارها و وسایلی برای دریافت این انرژی از محیط وجود دارند بعنوان مثال پنلهای خورشیدی در سیستمهایی که از انرژی خورشیدی استفاده میکنند. تفاوت اساسی در انواع برداشتگرهای انرژی، سطح توان خروجی(جریان، ولتاژ)، AC یا DC بودن و مدل امپدانس میباشد. بعنوان مثال آسیاب بادی^[42]، ژنراتورهای سیمپیچ مغناطیسی^[43] و فیزوالکتریک^[44] داری توان خروجی AC هستند درحالیکه انرژی خورشیدی و حرارتی دارای توان خروجی DC میباشند ]9[.
مبدل انرژی: ازآنجاییکه اکثر سیستمهای دیجیتال با توان DC راهاندازی میشوند و ممکن است برداشتگرهای انرژی، سطح توان متفاوتی داشته باشند، سیستمهای مبتنی بر برداشت انرژی نیازمند مبدلهایی هستند تا توان حاصل از برداشتگر را به توان مورد نیاز تبدیل کنند از اینرو دو نوع مبدل انرژی قابل استفاده است: مبدل AC_DC و مبدل DC_DC که برای تعیین سطح ولتاژ خروجی مناسب بکار میرود.
ذخیره ساز انرژی : ذخیره ساز انرژی در سیستمهای برداشتگر انرژی در حکم منبع انرژی نیستند و فقط برای ذخیره کردن انرژی مورد استفاده قرار میگیرند و میتواند باطری و یا خازن باشد که در سیستمهای امروزه بیشتر از باطری با قابلیت شارژ مجدد استفاده میشود.
سیستم تعبیه شده
مقدار انرژی که میتواند در ذخیره ساز انرژی ذخیره شود تحت تأثیر فاکتورهایی همچون کارایی مدل برداشتگر انرژی، ولتاژ ورودی/خروجی مبدلهای DC_DC ، وضعیت ذخیره سازهای انرژی و مشخصههای بار کاری سیستم، قرار دارد.
2-7-2 انواع سیستم برداشتگر انرژی
در حال حاضر بطور کلی دو نوع سیستم برداشت انرژی موجود است که در ادامه به اجمال به بررسی آنها میپردازیم.
روش اول :
P_D (t)
Pc (t)
P_S (t)
سیستم تعبیه شده
ذخیره ساز انرژی
شکل 2-1 : نوع اول سیستم برداشتگر انرژی
مبدل انرژی
برداشتگر انرژی
شکل 2-1 : نوع اول سیستم برداشتگر انرژی]10[
ابتدا انرژی با توان P_s(t) از محیط برداشت شده، توسط مبدل به انرژی قابل ذخیره در باطری تبدیل میشود سپس در باطری (ذخیره ساز انرژی) ذخیره میشود و درنهایت در اختیار پردازنده برای اجرای عملیات سیستم قرار میگیرد ]10[. معایب این نوع سیستم عبارتند از :
شارژ و دشارژ زیاد
اتلاف انرژی در صورت سرریز باطری^[45]
ازکار افتادن سیستم درصورت خرابی باطری
روش دوم :
در این روش انرژی مورد نیاز سیستم علاوه بر ذخیرهساز انرژی میتواند بطور مستقیم از طریق محیط نیز تأمین شود در اینصورت ظرفیت ذخیره ساز انرژی، کمتر و مراجعه به آن نیز کمتر از روش قبل است و پردازنده در صورت وجود انرژی کافی در محیط میتواند بدون اتلاف انرژی به سبب سربار شارژ/دشارژ باطری، به انرژی مورد نیازش دست یابد ]11[ .
P_D (t)
برداشتگر انرژی
Pc (t)
سیستم تعبیهشده