Design von Energy Harvesting-Lösungen für das Smart Home

Pavel Moroshek

 

Von Pavel Moroshek

Leiter der Embedded-Engineering-Einheit
bei Promwad

Projekt in Kürze: Wir haben einen Innenraumsensor zur Analyse der Luftqualität und eine Fernbedienung für Smart-Home-Systeme entwickelt, die durch Energy Harvesting betrieben werden, d.h. mit Energieversorgung durch RF-Energie. Durch die Nutzung dieser zukunftsweisenden Technologie wird unser Kunde seine Marktreichweite um 15% erhöhen und diesen Ansatz in andere Produkte integrieren können. 

Kunde & Herausforderung 

Ein europäischer Smart-Home-Anbieter wandte sich an uns, um Lösungen zur Energierückgewinnung zu entwickeln und seine Produktlinie zu erweitern: ein Sensor zur Messung der Luftqualität in Innenräumen und eine universelle Fernbedienung für Heimsyteme, einschließlich Multimedia-Geräten.

Energy Harvesting ist eine angesagte Technologie zur Entwicklung nachhaltiger Geschäftslösungen ohne Batterien und ohne die Notwendigkeit des Aufladens während des gesamten Produktlebenszyklus.   
 
Energierückgewinnungs-ICs wandeln Energie aus Vibrationen, Licht, thermischen Quellen oder elektromagnetischer Energie wie Radiowellen in geregelte Spannungen für drahtlose Sensoren und andere extrem stromsparende elektronische Geräte um.  
 
Viele Technologielieferanten folgen diesem Trend mit ihrer Reihe von Energierückgewinnungs-Chips und -Schaltungen: Analog Devices, Nordic Semiconductor, Silicon Labs, Infineon und andere. 
 
In unserem Blog haben wir erklärt, wie Energierückgewinnung in IoT-Systemen und -Geräten im Allgemeinen funktioniert. In dieser Fallstudie werden wir ein praktisches Beispiel für die Entwicklung von Smart-Home-Geräten für unseren Kunden vorstellen. 

 

Lösung

Unsere Arbeit umfasste die Erstellung einer schlüsselfertigen Lösung: Industrie- und mechanisches Design, Software- und Hardware-Entwicklung sowie Kundensupport für den Produktionsstart.

Um dieses Projekt umzusetzen, haben wir ein Expertenteam mit allen notwendigen Kenntnissen und Fähigkeiten für den Designprozess zusammengestellt:

  • PCB- und Schaltungsdesign-Ingenieure;
  • Firmware-Entwickler;
  • Industrie- und mechanische Designer.

1. Konzeptentwicklung

Wir begannen mit der Konzeption und Zeichnung der ersten Skizzen der Geräte, wobei wir berücksichtigten, dass sie kompakt sein und als RF-Energieernter ohne Batterien betrieben werden sollten. 

Hier sind einige zusätzliche Anforderungen an die Geräte, die die Planung der Hardware- und Softwareentwicklung beeinflussten:  

  • Die Fernbedienung sollte problemlos mit anderen Smart-Home-Geräten und Systemen verschiedener Anbieter integriert werden können. 
  • Der Energy-Harvesting-Sensor sollte aufgrund der kontinuierlichen Energieversorgung häufiger als herkömmliche Geräte genaue Umweltdaten liefern. Batteriegespeiste Sensoren sparen typischerweise Energie, um ihre Lebensdauer zu verlängern, während das neue Design von einem solchen Mangel befreit ist. 

2. Hardware-Design

Der Sensor und die Fernbedienung werden durch starke RF-Signale von WiFi, digitalem Fernsehen und Mobilfunknetzen aufgeladen. Wenn diese Signale schwach oder nicht verfügbar sind, können sie auch mit der im RF-Energieerntermodul gespeicherten Energie betrieben werden. 

Board- und Bildschirmmodelle für die Fernbedienung

Das Design der Smart-Home-Fernbedienung mit anpassbaren E-Ink-Tasten

Wir haben die xG22E-SoC-Familie von Silicon Labs als energieeffiziente Anwendungsplattform für die Fernbedienung ausgewählt, die über Funkkanäle oder Infrarot-Sender funktioniert. 

Das Design verfügt auch über einen elektronischen Papierbildschirm (E-Ink) mit einer Touch-Schicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Fernbedienungen mit physischen Tasten. Das macht sie einzigartig: 

  • Anpassbare Benutzeroberfläche. Benutzer können Tasten über eine verbundene App erstellen und anordnen, was eine vollständige Anpassung des Layouts und der Funktionen der Tasten ermöglicht.
  • Vielseitigkeit. Die digitalen Tasten können so programmiert werden, dass sie mit einer Vielzahl von Geräten funktionieren und die Fernbedienung an verschiedene Technologien und Schnittstellen anpassen.
  • Energieeffizienz. Die E-Ink-Technologie verbraucht nur Strom, wenn sich das Bild auf dem Display ändert, z.B. wenn eine Taste gedrückt oder das Display aktualisiert wird — ausreichend für einen stabilen Betrieb als PF-Energieernter.

Explosionsdiagramm des Designs der Smart-Home-Fernbedienung (von oben nach unten): eine Frontplatte, ein Bildschirm, eine Leiterplatte mit integriertem RF-Energy Harvesting Modul, eine Batterie zur Energiespeicherung und eine Rückplatte

Design des Luftqualitätssensors, betrieben durch Energy Harvesting 

Der Smart-Home-Sensor basiert ebenfalls auf einem energieeffizienten SoC: dem Bluetooth LE SoC nRF52805 von Nordic. 

Der Sensor misst die Umweltparameter im Raum: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Werte und Partikelverschmutzung wie Staub, Ruß und Rauch. Die Daten werden über Bluetooth Low Energy (BLE) an ein Gateway oder eine mobile App übertragen. 

3. Fertigungsunterstützung

Mit unserer technischen Unterstützung wurden die Geräte mit RF-Energieerntermodulen erfolgreich in die Serienproduktion überführt. Unser Kunde plant, die erste Charge von 1.000 Geräten zu produzieren, um eine stetige Versorgung zur Deckung der erwarteten Nachfrage sicherzustellen.

Endgültiges Design der Geräte für die Massenproduktion: eine Fernbedienung und ein Luftqualitätssensor

Geschäftswert 

Unser Kunde hat seine Produktlinie um zwei neue Geräte erweitert: eine universelle Fernbedienung und einen Sensor zur Analyse der Luftqualität. Dank der innovativen Energy Harvesting-Technologie verfügen die Geräte über Funktionen, die einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt bieten: 

  • Nachhaltige und langlebige Lösungen ohne herkömmliche austauschbare Batterien, die Abfall reduzieren und die Umweltbelastung minimieren, wodurch Nachhaltigkeitsprobleme und -lösungen im Produktlebenszyklusmanagement adressiert werden. 
  • Hohe Effizienz und geringere Wartungskosten für Endbenutzer dank zuverlässigem, kontinuierlichem und autonomem Betrieb ohne Batteriewechsel oder Anschluss an das Stromnetz.  
  • Die neuartige Technologie hebt die Produkte aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit von anderen ab. Dieses Merkmal kann den Markt unseres Kunden um 15 % erweitern. Es ermöglicht den Kunden, sich keine Sorgen um die Umweltbelastung zu machen, stärkt ihr Engagement für Nachhaltigkeit und setzt sie von der Konkurrenz ab.  

Mehr über unsere Arbeit im Bereich Smart Home

  • Mobile App für Smart Home: Ein Beispiel für die Entwicklung einer mobilen App für iOS und Android für Smart-Home-Systeme (100.000 Downloads bei Google Play). 

Andere Fallstudien

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