Volenti o nolenti, stiamo entrando nell’era dell’Internet of Things. Complice anche il fatto che i componenti elettronici sono ormai l’unica cosa il cui prezzo, anziché aumentare, scende, realizzare la propria “casa intelligente” è diventato alla portata di qualsiasi nerd di buona volontà (e di grandi ambizioni). Alla fine, si tratta di scrivere un semplice firmware che acquisisca i dati da un qualche sensore e li trasmetta ad un nodo centrale, e progettare (se necessario) uno straccio di circuiteria per il condizionamento del segnale. La vera sfida, semmai, è staccare i propri sensori dalla presa della corrente, e alimentarli tramite qualche forma di energy harvesting. Di sicuro la tecnica più popolare per “mietere energia” dall’ambiente consiste nell’utilizzare dei pannelli solari. Ovviamente, essendo il sole una risorsa intermittente, occorre dimensionare con un minimo di accuratezza l’intero sistema ma, come dimostreremo in quest’articolo, non si tratta di niente di particolarmente difficile.

Introduzione

Ci sono due o tre mantra che ti senti ripetere allo sfinimento, quando sei all’università. Uno è che, qualsiasi cosa progetti, deve costare poco. Il secondo è che, qualsiasi cosa progetti, deve occupare poco spazio. Il terzo è che, qualsiasi cosa progetti, deve consumare anche meno. Forse un po’ meno sui primi due, ma sul terzo è sicuramente molto importante considerando i costi energetici. Qualsiasi progetto fai, alla fine devi dirgli quanto consuma. O almeno stimare questo consumo. Non importa se il tuo progetto è già tanto se funziona e sai che ti importa quanto consuma, o è così complicato da richiedere un frigorifero per il raffreddamento, e quanto vuoi che consumi, pare una lavatrice. No: in tutti i casi bisogna vedere quanto consuma l’aggeggio di turno. Da un certo punto di vista la cosa ha senso. Prima c’erano gli armadi a muro pieni di cavi e relè che consumavano quanto una centrale nucleare, e il consumo era un serio problema. Oggi c’è un’infinità di dispositivi a batteria, che devono consumare poco se si vuole che la batteria duri, e quindi il consumo continua ad essere un serio problema. Del resto, lo scaling nelle dimensioni dei componenti grazie al quale si è passati dall’armadio dell’ENIAC alla scatoletta dei fiammiferi di uno smartphone è lo stesso che ha permesso di alimentare il tutto a batteria: più sono piccoli i transistor, più sono basse tensioni e correnti necessarie per farli funzionare, e minore è la potenza dissipata (un altro mantra che non è facile dimenticare: P = V × I, P = V × I, P = V × I…). Quindi, se vuoi progettare un circuito che consumi poco, un certo lavoro di ottimizzazione è sicuramente indispensabile, ma in fondo la tecnologia ti aiuta. Ma c’è un terzo caso in cui invece la tecnologia ti rema contro. Il costo dei componenti è ormai così ridotto che puoi andare su Amazon e ordinare dei pannelli solari. Quindi puoi togliere completamente la batteria, e tentare di alimentare il tuo dispositivo in maniera completamente autonoma. Bastano un paio di click e nel giro di qualche giorno li hai a casa, e a quel punto ti trovi davanti al problema ingrato di alimentare con una sorgente di energia discontinua e a bassa efficienza un dispositivo che invece richiede un’alimentazione stabile per almeno un tot tempo. Bene, come si fa? Immaginiamo di voler progettare un sensore alimentato da pannelli solari. Diciamo che questo nostro sensore misurerà qualcosa (umidità, pressione, temperatura, quello che vi pare) e la trasmetterà via canale wireless ad un un’unità centrale, sia essa un computer, uno smartphone o una scheda dedicata che funge da coordinatore della rete. Il sensore avrà quindi un po’ di circuiteria per la misura del parametro che ci interessa e un qualche genere di microcontrollore con annesso transceiver da un lato, e i pannelli solari dall’altro. Il grosso problema qui è: cosa ci mettiamo nel mezzo (Figura 1)?

Figura 1: Schema di principio del sistema.

Non possiamo collegare direttamente i pannelli solari al micro/circuiteria di misura, a causa del fatto che i pannelli solari non forniscono mai tensione e corrente in maniera continua. Qui con “maniera continua” ci riferiamo ad una cosa diversa da ciò che accade con la corrente che l’Enel gentilmente ci fornisce. La corrente della presa della corrente non è continua perché viaggia come un’onda sinusoidale a 50 Hz; qui la corrente non è continua perché la fonte che la genera (ossia il sole) non fornisce sempre la stessa potenza. Basta una nuvola o un piccione che decide di poggiarsi proprio lì per far crollare la potenza generata. Quindi, la cosa più opportuna da fare è inserire una batteria ricaricabile, nel mezzo, che appunto ricaricheremo con la potenza generata dai pannelli solari (Figura 2).

Figura 2: Aggiunta del caricabatterie.

Non basta. Se guardate il datasheet di un qualsiasi microcontrollore, noterete che spesso i micro necessitano di più di una tensione di alimentazione. Il motivo è sempre lo stesso: ridurre il consumo di potenza. In effetti, se il core del micro può lavorare ad una tensione più bassa rispetto, ad esempio, alle sue periferiche, non ha senso alimentare tutto alla tensione più alta: è più efficiente avere due tensioni di alimentazione. Ad esempio, l’MSP430 della Texas ha un core che lavora a 1.8 V e il modulo di input/output che lavora  a 3.6 V. Quindi, supponendo di usare un MSP430, il nostro circuito nel mezzo dovrà generare sia i 3.6 V per il modulo di input/output che gli 1.8 V per il core. Se, ad esempio, i 3.6 V venissero direttamente dalla batteria ricaricabile che abbiamo già deciso di usare, come generiamo gli 1.8 V? La scelta più ovvia sarebbe un partitore resistivo, ma questo è il circuito di alimentazione più inefficiente che esista, perché la tensione che non consegna al carico un [...]

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