În fiecare zi, milioane de pachete, multe dintre ele conținând bunuri de valoare sau perisabile, sunt trimise prin firme de curierat către destinații de pe tot globul pământesc. Se estimează că numai UPS deplasează zilnic 16 milioane de pachete. Este o sarcină uriașă să te asiguri că fiecare pachet ajunge la destinația finală în siguranță, la timp și, cel mai important, fără deteriorări.
Pentru multe dintre aceste livrări, produsele pe care le conțin sunt sensibile la condițiile de mediu, precum temperatură și șocuri, ceea ce poate fi adesea o problemă dacă nu se acordă atenție în timpul livrării. Produse precum flori proaspete, fructe și legume, precum și medicamente sunt livrate zilnic în număr mare, fiecare având nevoie de manevrare cu grijă pentru a nu suferi deteriorări, pentru a fi stocate și transportate în mod optim. Dacă pe timpul livrării nu sunt menținute condițiile necesare, s-ar putea ca la destinație, produsele să nu se mai afle în starea potrivită pentru a fi utilizate de către clienți. În situația unor produse precum medicamente, acestea pot deveni periculoase sau, în cel mai inofensiv caz, ineficiente. Vaccinurile sunt un exemplu perfect, ele trebuind să fie manipulate într-o manieră corectă și păstrate în condiții de mediu necesare în orice moment de timp, pentru a se evita consecințe medicale foarte serioase.
În jurul nevoii de a oferi o cale de audit detaliată a expedierii, s-a dezvoltat o nouă generație de produse inteligente, capabile de a urmări coletele și de a monitoriza constant pe durata transportului modul de manipulare și condițiile locale de mediu.
Astăzi, aceste produse de urmărire sunt tipic alimentate de la baterii și sunt capabile de a măsura parametri precum temperatura și accelerația. Unele pot chiar urmări localizarea GPS pe durata transportului și stoca informația pentru o examinare viitoare, odată ce produsul a fost livrat. Este, de asemenea, important să se asigure că produsele nu au fost falsificate în vreun mod, sau înlocuite cu replici ieftine, în special în cazul livrărilor de mare valoare.
Figura 1: Soluțiile de urmărire a produselor reprezintă o necesitate
Totuși, aceste dispozitive de urmărire nu sunt lipsite de probleme, în special în zona utilizării tehnologiei cu baterii. Devine din ce în ce mai dificil să se transporte produse care conțin baterii, în special cu avionul, datorită posibilității ca acestea să se supraîncălzească. Utilizarea bateriilor reîncărcabile înseamnă, de asemenea, că acestea trebuie încărcate înainte de fiecare livrare pentru a ne asigura că dispozitivul este capabil să opereze pe întreaga durată a procesului de transport, până la destinație. Răspunderea inițiatorului expedierii este de a se asigura că dispozitivul este încărcat, proces care este întotdeauna deschis către eroarea umană.
În cazurile prezentate mai sus, o soluție ideală poate fi reprezentată de un dispozitiv care să își poată lua energie din mediu pe durata procesului de livrare, evitând necesitatea existenței unei baterii.
Haideți să intrăm mai în detaliu asupra modului de rezolvare a unei probleme tipice – în acest caz, problema livrării sigure a produselor farmaceutice pe glob. Pentru a avea o idee asupra dimensiunii problemei, medicii din Europa prescriu în fiecare an produse farmaceutice de miliarde de euro. Numai în Germania, în 2017, valoarea medicației către pacienți a fost de peste 40 de miliarde de euro, iar costurile de livrare rezultate au adăugat la factura anuală miliarde de euro. Se estimează că transportul în siguranță al acestor produse pe plan mondial se situează undeva între 70 și 80 de miliarde de USD.
Cu asemenea costuri, trebuie să ne asigurăm că fiecare produs este livrat în siguranță și eficient către beneficiarul final, că nu suferă nicio degradare și că nu este înlocuit de un alt produs pe durata procesului de livrare.
Figura 2: Comparație asupra caracteristicilor SOTB cu alte geometrii de procese
Acum sunt posibile soluții inteligente, care utilizează captarea energiei din mediu pentru a asigura alimentarea aplicațiilor de monitorizare a transportului, bazate pe o nouă generație de controlere embedded avansate, de joasă putere. Acestea sunt realizate pornind de la noua tehnologie de procesare SOTB (Silicon on Thin Buried Oxide) de la Renesas. Dispozitivele bazate pe procesul SOTB prezintă un consum energetic semnificativ mai mic în stare activă și de așteptare, față de dispozitivele care utilizează tehnologia pe siliciu tradițională. SOTB permite dezvoltarea de dispozitive inteligente de ultra joasă putere, ideal potrivite pentru monitorizarea continuă a parametrilor precum temperatură și accelerație pe durata transportului. Aceste dispozitive pot oferi performanțe ridicate de procesare (locală) și memorii mari pe cip pentru aplicații și stocare de date. Acest lucru permite memoriei să conțină stive de protocoale și aplicații complexe, oferind în același timp stocare nevolatilă a datelor ce se doresc înregistrate. Toate cele de mai sus pot fi obținute operând cu energia captată din mediu, fără a fi nevoie de baterii.
Primul controler embedded ce poate fi implementat în acest nou proces este noul RE01. Dispozitivul poate atinge un consum energetic în stare activă în jur de 20µA/MHz cu operare la până la 32MHz și o pierdere de curent în modul de așteptare profund (deep standby mode) de până la 150nA. Aceste valori sunt fără egal pentru un dispozitiv cu o memorie flash pe cip de 1.5 Mbyte și o memorie SRAM pe cip de 256 Kbyte.
Figura 3: Structura de poartă SOTB
Haideți să privim în detaliu această nouă tehnologie și să observăm modul în care ne poate ajuta să implementăm dispozitive ideale pentru aceste aplicații PMA. Factorul determinant în dezvoltarea acestei tehnologii a fost abilitatea de a crea o structură hibridă pe siliciu, combinând avantajele noului proces SOTB cu cele din tehnologia standard bazată pe siliciu brut. Putem utiliza noua tehnologie SOTB în părțile de pe cip în care este necesar un consum energetic ultra-redus și putem, încă, utiliza tehnologia pe siliciu standard pentru caracteristici, de exemplu, I/O ring, componente analogice, precum și pentru memoria Flash embedded. Ca rezultat, dispozitivele au caracteristici electrice similare cu ale microcontrolerelor existente.
Figura 3 prezintă unele dintre avantajele structurii de poartă SOTB. Într-un proiect tradițional de poartă bazată pe siliciu brut, atomii de dopare sunt injectați pe durata procesului de fabricație, ceea ce permite porții să conducă atunci când este necesar. Numărul de atomi injectați în fiecare poartă este extrem de greu de controlat cu precizie, astfel încât caracteristica de comutație a porții poate varia în special cu geometrii de siliciu mai mici.
SOTB este o tehnologie fără dopare, în care caracteristicile porții sunt controlate de un start izolator extrem de subțire, care este extrem de bine controlat. Acest lucru înseamnă că variațiile dintre porți sunt mult mai mici decât în cazul porților tradiționale bazate pe siliciu brut. Această reducere a variației dintre porți pe dispozitivele SOTB permite o reducere importantă a tensiunii de operare, iar de aici, a energiei utilizate pentru comutația porții. Rezultatul este un consum energetic în stare activă extrem de redus pentru dispozitivele implementate cu procesul SOTB, prin comparație cu cele implementate cu procese tradiționale bazate pe siliciu brut.
Figura 4: Primul microcontroler bazat pe tehnologia SOTB
Figura 3 ilustrează, de asemenea, un alt avantaj al tehnologiei SOTB. Putem aplica pe fiecare poartă o tensiune de polarizare cu reacție negativă, permițându-ne să manipulăm pragurile de comutație ale fiecărei porți. Acest lucru reduce puternic pierderea de curent pe fiecare poartă, ceea ce are ca efect reducerea curentului în modul de așteptare.
Figura 5: Design ADC de joasă putere
Noul RE01 combină un nucleu Cortex M0+ rulând la până la 64MHz, cu un înalt nivel de integrare a perifericelor, până la 1.5 Mbyte de memorie flash și 256 Kbyte de memorie SRAM pe cip. Figura 5 prezintă o diagramă bloc a acestui dispozitiv. RE01 implementează și o interfață LCD MiPs pentru un afișaj local de joasă putere, dar și alte funcții utile, precum o interfață USB și un convertor analog-digital (ADC) foarte specific, cu consum de putere ultra-redus. Fiecare dispozitiv include, de asemenea, un controler de captare a energiei EHC (Energy Harvesting Controller) pentru a ajuta la gestionarea unei varietăți de surse de captare de energie.
Convertorul analog-digital (ADC) are un design complet nou, care a fost dezvoltat specific pentru a opera cu o cantitate minimă de energie, asigurând, însă, suport pentru detecția continuă a diferiților parametri analogici.
În figura 5 este prezentată o schemă simplificată de intrare în ADC. Convertorul a fost proiectat pentru a suporta rezoluții de până la 14-biți, oferind abilitatea de a face măsurări de precizie pentru numeroși și diferiți parametri fizici. Avantajul cheie al acestui nou proiect ADC este acela că asigură un consum energetic de numai 3µA atunci când operează la 32kHz, cu o viteză de eșantionare de 1.6k eșantioane/secundă. Această viteză de eșantionare, poate părea mică, dar este mai mult decât suficient pentru măsurarea majorității parametrilor necesari în aplicațiile de urmărire, precum temperatură și presiune, a căror variație este lentă în mod normal.
Convertorul ADC a fost, de asemenea, proiectat pentru a opera autonom fără intervenția CPU, minimizând, din nou, consumul de putere. Aceste caracteristici includ o varietate de moduri de scanare pentru a eșantiona automat canale multiple, un circuit de mediere automată pentru a crește precizia măsurării și o funcție de comparator. Acesta din urmă poate genera o întrerupere atunci când o valoare măsurată este peste, sub sau în afara unui domeniu pre-programat.
Modulul ADC integrează, de asemenea, un senzor de temperatură pe cip, care poate fi automat monitorizat pentru a vedea dacă temperatura în timpul transportului trece de limitele predeterminate. Subsistemul ADC complet este o soluție ideală pentru multe aplicații de urmărire, oferind toate funcțiile necesare pentru monitorizarea și înregistrarea condițiilor de mediu ce afectează livrarea produselor, dar în același timp minimizând consumul energetic pentru această sarcină.
RE01 implementează și un controler unic pentru captarea energiei (EHC) care permite energiei să fie captată dintr-o gamă largă de surse de energie regenerabilă, permițând în același timp dispozitivului să controleze automat o baterie externă reîncărcabilă sau un super-condensator. EHC poate, de asemenea, alimenta dispozitive externe, precum radio și senzori, astfel încât să poată opera cu energia captată. Acest lucru facilitează dezvoltarea unei soluții complete, fără baterii, pentru aplicații de urmărire care pot fi alimentate în întregime de la o varietate de soluții de captare energetică, inclusiv elemente de captare bazate pe vibrații și pe lumină.
Figura 6: Controlerul de captare a energiei
Una dintre cele mai mari probleme cu orice dispozitiv integrat în aplicații de captare energetică este curentul de pornire. Acesta este curentul pe care dispozitivul îl solicită la comutarea de pornire și este, tipic, destul de mare. Riscul care apare este că acest curent depășește capabilitățile multor surse tipice de captare a energiei și duce, astfel, la o funcționare incorectă a dispozitivului. EHC implementat pe dispozitivele SOTB este proiectat specific pentru a evita această problemă. El a fost dezvoltat pentru a gestiona mici cantități de energie disponibile din surse de captare externe, pentru a permite pornirea sigură a microcontrolerului de la surse de joasă putere, care asigură curenți de numai 5µA. Acest lucru înseamnă că, aproape pentru prima oară, se pot obține aplicații reale de urmărire ce pot utiliza energie captată din mediu pentru a măsura și înregistra continuu datele necesare.
Cu ajutorul unui circuit de putere corect dimensionat, controlerul de captare a energiei permite ca dispozitivele să opereze cu o gamă largă de surse de putere, incluzând aici celule solare, captarea energiei din vibrații, captarea energiei termice și multe altele. Multe dintre aceste exemple pot fi găsite pe website-ul Renesas la www.renesas.com/SOTB, împreună cu filme ce prezintă unele exemple tipice de dispozitive de captare a energiei utilizate acum.
Dezvoltarea de controlere embedded bazate pe tehnologia SOBT (Silicon on Thin Buried Oxide) va permite o nouă generație de aplicații de urmărire, proiectate pentru a opera fără alimentare de la baterii. În aplicațiile de îngrijire a sănătății, circuitele vor îmbunătăți calitatea produselor, oferind în același timp economii semnificative în această industrie.
Renesas va continua și după anul 2020 extinderea familiei RE cu noi membri, inclusiv cu dimensiuni mici de memorie, care să conțină până la 256 KB de memorie flash. Sistemele de captare a energiei sunt un pas esențial către obiectivul unei societăți inteligente și conștiente de mediu. Folosind ca nucleu tehnologia SOTB, Renesas va continua să dezvolte tehnologii și soluții inovatoare care să permită creșterea acestor sisteme.
Despre autor
Graeme Clark este alături de Renesas Electronics Europe de peste 20 de ani, fiind implicat în domeniul microcontrolerelor de joasă putere și ocupând o variate de funcții în tot acest timp. Acum, este responsabil cu lansarea pe piața Europeană a noilor controlere embedded bazate pe tehnologia SOTB. Înainte de Renesas, Graeme a lucrat pentru Hitachi Electronics.
Renesas Electronics Europe | https://www.renesas.com
