에너지 하베스팅을 통해 셀프 충전하는 무선 센서 노드

June 9, 2024

에너지 하베스팅을 통해 셀프 충전하는 무선 센서 노드 (출처: deepadesigns/Shutterstock.com)

-무선 센서 노드(WSN)에 대한 관심이 최근 몇 년 사이 크게 높아졌습니다. WSN의 주요 장점 중 하나는 다양한 매개변수의 데이터를 지속적으로 모니터링할 수 있다는 것입니다. 하나의 예로, 이러한 센서는 용수 배관 시스템에서 유체 및 유속 매개변수를 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다. WSN의 과제 중 하나는 전원공급장치입니다. 이는 배터리로 작동되는 장치이며, 배터리 수명이 다하면 교체하거나 재충전해야 합니다. WSN은 쉽게 접근하기 어려움 원격지에 배치될 수도 있으므로 배터리를 교체하기가 불편할 수도 있습니다. 이를 극복하기 위한 기존의 접근 방식은 WSN에 에너지 하베스팅 기술을 추가하는 것입니다. 에너지 하베스터는 기계적, 열적 또는 태양광 에너지와 같이 해당 환경에서 이용할 수 있는 에너지를 최대한 끌어와서 이를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다.

-WSN의 작동 원리

무선 센서 노드는 통상 다음과 같은 4가지 주요 요소들로 구성됩니다.

▶ 전원

▶ 마이크로컨트롤러(MCU)

▶ 통신 모듈

▶ 센서

그림 1은 이 구조를 나타낸 것으로서, 센서 노드의 기본 아키텍처 역할을 합니다.

-그림 1: WSN 아키텍처 (출처: 마우저 일렉트로닉스)

설계 엔지니어는 듀티 사이클을 기반으로 작동을 프로그래밍함으로써 WSN의 전력 소비를 제어해 왔습니다. 여기서 센서 노드는 계속해서 저전력 모드(딥 슬립)에 있다가 데이터 수집, 계산, 측정 및 통신을 위해 단기간 동안 활성화됩니다. 그림 2는 이 작동 원리를 보여줍니다.

그림 2: WSN 듀티 사이클 다이어그램 (출처: 마우저 일렉트로닉스)

평균적으로 마이크로컨트롤러의 대기 모드일 때 전력 소비는 나노와트(nW) 범위에 있으며, 활성 모드에 있을 때 전력 소비는 마이크로와트(µW) 수준으로 증가합니다. 그러나 활성 모드는 일반적으로 짧은 시간(밀리초, ms) 동안만 발생하므로 주요한 전력 소비 요소가 아닙니다. 배터리 전원에서 대부분의 에너지를 끌어내는 1차 소스는 대기 모드 전류 소모입니다. 따라서 WSN을 설계할 때는 대기 모드 전력 소모가 극히 낮은 MCU를 선택하는 것이 필수입니다.

예를 들어 텍사스 인스트루먼트(TI)는 초음파 수류 측정에 이상적인 초저전력 MCU MSP430FR600x를 제공합니다. 이 MCU는 활성 모드에서 약 120µA/MHz, 대기 모드에서 450nA를 소비합니다.

-배터리 전원을 사용하는 디바이스에 이상적인 또 다른 제품이 실리콘랩스(Silicon Labs)의 EFM32PG22 MCU입니다. 이 제품은 76.8MHz ARM Cortex®-M33 프로세서가 특징이며 활성 모드에서 26µA/MHz를 소비합니다. EFM32PG22의 대기 모드 전류 소모는 약 1.10µA이며 최대 0.17µA까지 낮아질 수 있습니다.

-에너지 하베스팅으로 WSN 수명 연장

WSN의 수명 연장을 위한 에너지 하베스팅 접근법은 크게 두 가지입니다.

첫째는 수확한 에너지로 배터리를 재충전하여 배터리 수명을 연장하는 방식입니다.

이 경우, 수확된 에너지를 배터리나 슈퍼커패시터에 저장하기 위해서는 전원관리 회로가 필요합니다. 전원관리 회로는 정류, DC/DC 컨버터, 저장의 세 가지 주요 구성 요소들을 포함합니다.

-▶ 정류: 정류는 전자기 및 압전과 같이 AC 전압을 생성하는 에너지 하베스터에만 필요합니다.

▶ DC/DC 컨버터: DC/DC 컨버터는 에너지 하베스터에서 생성된 전압을 조절하고 배터리를 재충전하는 데 사용됩니다.

▶ 저장: 충전식 배터리나 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 소자들이 사용됩니다.

이 접근법은 e-peas DEMPV-BLE 태양광 IoT 데모 키트를 이용해 시연할 수 있습니다. DEMPV-BLE는 35mm x 50mm 크기의 온보드 태양광 솔라셀을 내장한 WSN입니다. 이 키트는 광도, 온도, 습도를 측정하고 BLE(Bluetooth® Low Energy)를 통해 스마트폰으로 데이터를 보낼 수 있습니다. 이 온보드 솔라셀은 키트가 실내 환경에서 작동하기에 충분한 에너지를 공급할 수 있습니다. 수확한 에너지는 160mF 슈퍼커패시터에 저장되며, 매 10초 간격으로 메시지를 새로운 측정값과 함께 비콘에 보냄으로써 5시간 동안 작동할 수 있습니다.

둘째, 수확한 에너지를 WSN 소자들의 전원 공급에 곧바로 사용하여 자체 전원이 이루어지는 방식입니다.

이 방식은 생성한 에너지를 저장장치를 거치지 않고 WSN에 직접 공급합니다. 이 접근법의 유일한 과제는 수확한 에너지가 WSN의 기동 전력과 송신 전력을 커버할 수 있는지 확인하는 것입니다. 온세미컨덕터의 지그비 그린 파워 에너지 하베스팅 키트를 가지고 이를 설명해 보겠습니다. 이 시스템의 블록 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다. 이 키트에는 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 스위치 형태의 전자기 발생기가 내장되어 있습니다. 스위치가 눌러질 때마다 33µF 커패시터가 충전되어 NCP170 LDO(low dropout)에 전력을 공급합니다. 그러면 NCP170은 NCS36510 송신기에 3.3V 전원을 공급합니다. 그런 다음 NCS36510 디바이스의 전원이 꺼질 때까지 전압이 점점 낮아집니다. 이를 통해, WSN의 사용 가능한 런타임이 약 17ms가 됩니다. 디바이스의 시동은 5.6ms 이내에 이루어지며, 단일 메시지가 즉시 전송됩니다. 전송 후, 이 모듈은 수신 모드로 전환하여 수신기로부터 802.15.4 ACK(승인, acknowledge) 수신을 기다립니다. 수신이 완료되면 라디오의 전원이 꺼집니다.

그림 3: 온세미의 지그비 그린 파워(Zigbee Green Power) 에너지 하베스팅 키트 시스템 블록 다이어그램 (출처: 온세미컨덕터)

지금까지 WSN 설계에 활용할 수 있는 이상적인 MCU와 에너지 하베스팅 기법을 활용하는 두 가지 접근법에 대해 살펴봤습니다. 어떤 방식을 활용할 것인지는 애플리케이션의 전력 소모에 따라 결정됩니다. 만약 에너지 하베스터가 애플리케이션의 전력 소모에 대응할 수 있다면 배터리 사용을 없앰으로써 시간과 비용을 절약할 수 있을 것입니다.