Onderzoekers TU Delft ontwikkelen batterijloos makersplatform BFree

Onderzoekers van de TU Delft hebben een makerplatform met de naam BFree ontwikkeld waarmee hobbyisten batterijloze internet-of-things-elektronica kunnen inzetten. Het platform schrijft daarvoor de staat van het systeem naar non-volatiel geheugen.

Het BFree-platform bestaat uit hardware om bijvoorbeeld sensoren aan te koppelen en software die maakt dat bij herstarten door stroomverlies het systeem snel verdergaat waar het was gebleven. "Voor hobbyisten is het tot nu toe vrijwel onmogelijk om apparatuur te ontwerpen op basis van batterijloze hardware. Daarom wilden wij het gebruik van ons platform voor iedereen toegankelijk maken", meldt Josiah Hester, die betrokken was bij het onderzoek van de TU Delft en de Northwestern University.

De makers richten zich vooral op internet-of-things-projecten met bijvoorbeeld zonnepanelen en streven naar een toename van elektronica zonder batterijen omdat deze vervuilend zijn. Dat probleem neemt toe naarmate internet-of-things groeit. Als zo'n IoT-systeem even niet genoeg energie heeft, valt dit op onverwachte momenten uit en volgt een herstart. BFree maakt dat zo'n project snel herstart en verdergaat vanaf een vlak voor de uitval aangemaakt checkpoint.

Het platform werkt met een Adafruit Metro M0 Express en een speciaal door de onderzoekers ontwikkelde shield waarop een Python-interpreter draait. De shield bevat non-volatiel geheugen, fram, voor het wegschrijven van de checkpoints en een condensator die als buffer voor energie dient. Verdere details staan op GitHub en TU Delft-assistant professor Przemyslaw Pawelczak en promovendus Vito Kortbeek vertellen er meer over in het Plus-artikel Elektronica zonder batterij: "De moeilijkheid zit hem in doorgaan waar je was".

Reacties (33)

[laurxp]

Belangrijk detail dat het artikel mist: Dit is mogelijk zonder aanpassingen aan de programmacode!
Je schrijft dus een regulier programma, en met dit project gaat het "magisch" verder na een stroomonderbreking. In feite is dit een automatische "suspend-to-disk" functie, maar dan op kleine schaal.

Reguliere programma's handmatig zo schrijven dat ze tegen stroomonderbrekingen kunnen was natuurlijk allang mogelijk, dat is niet nieuwswaardig.

[Reactie gewijzigd door laurxp op 24 juli 2024 01:46]

[iiKoe]

Klopt helemaal! Ons doel met BFree was om dit zo makkelijk en onzichtbaar mogelijk maken voor de programmeur.

[cruysen]

Zou deze functie ook in een/het processor bordje geïntegreerd kunnen worden door BFree of Adafruit? (Of nog beter een suspent-to-disk functie in de processor zelf.)

Dit lijkt me nu een toevoeging om te bewijzen dat het (eenvoudig) kan. Als er later IoT bordjes zijn die uit RF, EMC of flux (licht) voldoende energie krijgen om te werken lijkt me een mooi doel. Ook al start deze voor korte periode op om zijn taak te doen en eventueel deze te delen.

[iiKoe]

Dat zou zeker kunnen! En prototypes hiervoor zijn er ook. Het is een heel onderzoeksgebied wat "intermittent computing" heet. Het onderwerp is nog in een wat vroeg stadia, dus er mensen zijn nog opzoek naar de "ideale" oplossing, maar er zijn al meerdere manieren om met al deze power failures om te gaan (allemaal met hun eigen voor- en nadelen).

[Devion]

"condensator die als buffer voor energie dient".. batterijloos design.. ik snap wat ze bedoelen maar de condensator is gewoon de batterij op dat moment

[brogamma]

Klopt! Denk dat ze meer met het concept doelen op een systeem zonder Lithium, Cobalt, of een ander zwaar metaal als vorm van energie opslag.

[SillieWous]

Nee, een batterij is een vorm van chemische energie opslag. Een condensator is puur elektrisch. Anders kunnen we benzine net zo goed een batterij gaan noemen.

[Mijzelf]

Nou, in het filmpje is de condensator duidelijk een elco. Die doet ook aan chemische opslag. Waar de grens tussen elco en batterij ligt weet ik niet.

[beerse]

Een elco is volgens mij een condensator, die slaat de energie op als potentiaal verschil. Een batterij en een accu slaat de energie op met een chemische reactie. Dat een elco richting gevoelig is komt door het gebruikte medium waar over het potentiaal verschil wordt opgeslagen en de gebruikte elektroden. (zie ook https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrolytische_condensator)

Een elco heeft helaas ook niet het eeuwige leven, net als de rest van de elektronica. Maar een condensator gaat veel langer mee dan de gemiddelde accu, zeker als je telt in laad-cycli.

[Reactie gewijzigd door beerse op 24 juli 2024 01:46]

[SillieWous]

Een elco gebruikt nog steeds elektrisch veld als opslag. Het chemische er aan is dat het diëlektricum wat de capaciteit verhoogd, maar essentieel niet de methode van opslag. Bij een batterij is een redoxreactie de methode van opslag wat het heel anders maakt dan een condensator.

[janbaarda]

Een condensator slaat ook energie op (Leidse fles). Het principe is alleen anders, waar een batterij elektrochemie gebruikt, slaat de condensator elektriciteit op als elektrische lading. Een batterij condensators kan de opgeslagen energie ook weer afgeven. Voordeel van een condensator is dat deze razendsnel kan worden opgeladen. Een nadeel is (nu nog) dat de energiedichtheid niet erg hoog is.

Elk opslagsysteem heeft zijn eigen toepassing, of je nu vliegwielen, warmte opslag, zwaartekracht, condensatoren of batterijen gebruikt. Al deze vormen van energieopslag zijn al in gebruik.

[laurxp]

Nee, de condensator gebruiken ze alleen om voldoende tijd te hebben om de huidige status weg te schrijven. In de praktijk zal dat waarschijnlijk een fractie van een seconde zijn.

Net het paper gelezen, en in feite is het gewoon een goedkope batterij met een langere levensduur en minder problematische materialen, ja.

[Reactie gewijzigd door laurxp op 24 juli 2024 01:46]

[Jim80]

ik snap wat ze bedoelen maar de condensator is gewoon de batterij op dat moment

Niet helemaal..... de condensator zorgt enkel voor "uitstel van executie" voor zeer korte tijd. Daarna is het echt wel batterijloos

[winand]

Wat ik eruit begrijp is dat dat kleine solar paneltje het arduino board voedt, en bij wegvallen van het licht de energie uit de condensator gebruikt om de huidige 'running state' opslaat, om weer verder te kunnen als er weer licht is. Zo'n klein paneeltje kan toch nooit zoveel energie geven?
Wat mis ik?

[Jim80]

Je overschat het verbruik van een Arduino. Dit is geen Raspberry Pi maar enkele grote-ordes lager qua verbruik...

[winand]

Even een rekensommetje gedaan:
Arduino Uno verbruikt gemiddels zo'n 25 mA bij 5V, dat is 12,5mW
Zo'n paneeltje van zo'n 3x3cm zal ongeveer 6mW opleveren (in optimale omstandigheden!)
Je komt dus nog zeker zo'n 6,5 mW tekort..

[Reactie gewijzigd door winand op 24 juli 2024 01:46]

[MrSnowflake]

MAw om je arduino 10 sec te laten werken, hoeft je paneeltje nog geen 30sec aan piekvermogen te leveren? Ben ik juist?

[84hannes]

Je komt dus nog zeker zo'n 6,5 mW tekort..

En als je er een miljard hebt kom je 6,5MW tekort. Absolute getallen zeggen mij niet zoveel. Relatief kom je 42% tekort. Dus als je de condensator oplaadt en dan gaat rekenen (werken) tot deze onder een drempelwaarde komt kun je idealitair 58% van de tijd aan staan. Afhankelijk van je toepassing lijkt me dat meer dan genoeg.

[Bruin Poeper]

Even een rekensommetje gedaan:
Arduino Uno verbruikt gemiddels zo'n 25 mA bij 5V, dat is 12,5mW
Zo'n paneeltje van zo'n 3x3cm zal ongeveer 6mW opleveren (in optimale omstandigheden!)
Je komt dus nog zeker zo'n 6,5 mW tekort..

Die 25 mA is bij full power.
Je hebt een aantal sleepmodi tot je beschikking.
Voor (bijvoorbeeld) een cv-thermostaat zou de temperatuurmeting en de regeling maar eens per minuut hoeven werken. De rest van de tijd laat je hem slapen. Het proces is in principe erg simpel en zou volgens mij in 0,001 seconde afgewerkt kunnen worden. Je energieverbruik van 12,5 mW kan je dan delen door 60.000

[Reactie gewijzigd door Bruin Poeper op 24 juli 2024 01:46]

[winand]

Je onderschat het gebruik van een Arduino, of je overschat de opbrengst van zo'n klein paneeltje? 😁

[Rob Coops]

Ik moet eerlijk zijn toen ik de titel las dacht ik eerlijk gezegd dat het om een chipje zou gaan dat voldoende heeft aan energie dat via wifi en of andere draadloze signalen binnenkomt. Het lijkt me toch echt dat dat de uiteindelijke toekomst van veel IoT sensoren en oplossingen zal moeten worden omdat je echt niet altijd overal steeds maar weer een kabeltje naar toe wil trekken voor een paar mA. En als batterijen niet goed zijn want vervuilend (die dingen gaan jaren mee in een beetje IoT oplossing dus zo erg is het allemaal niet) dan lijkt het me dat je ook die draadjes niet wil hebben.

Maar goed voor een hobby project waar je alles gewoon werkend wil hebben en als het even kan zonder batterijen wil werken dan is dit natuurlijk geweldig. Op dit moment is draadloos werken nog steeds niet echt een realiteit in veel IoT hobby settings.
Al kan ik me helemaal voorstellen dat er genoeg mensen zullen zijn die roepen dat dit eigenlijk vals spelen is en dat je gewoon betere code moet schrijven, en dat 10% van die mensen dat ook echt zelf doet (want een grote mond is een ding maar het ook nog even doen...)

[Apocca]

"streven naar een toename van elektronica zonder batterijen omdat deze MINDER vervuilend zijn"
Kan de auteur het bericht even corrigeren?

[mac5er]

Ik wilde graag weten wat een "makerplatform" is maar de enige hit die ik krijg is deze pagina op tweakers.
MakerSplatform heeft wel meer hits.

[12345j]

Ok, het is dus een Arduino shield. Met wat geheugen en een dikke condensator. Gaan we nu elk Adruino hobby project als nieuws beschouwen.

[Reactie gewijzigd door 12345j op 24 juli 2024 01:46]

[Pathogen]

Nee. In dit geval is de Arduino waarschijnlijk gekozen vanwege het gemak van aansluiten van een shield, met daarbij natuurlijk dat het een low power platform is.

Niet elk Arduino project brengt iets unieks, dit is iets unieks dat toevallig op een Arduino aangesloten wordt.

[sypie]

Klik deze zoekopdracht maar eens aan, dan krijg je op zich wel een idee. Zoeken op Fablab of hackerspace is ook een optie.

[joo5ty]

Het filmpje benoemd niet dat dit kan door de kleine zonnepanelen die op het bordje zitten?

[FrostyPeet]

Het verbaasde me al langer dat bijvoorbeeld een wijzerplaat horloge, waar een knoopcel batterij in zit, niet batterijloos kan zijn. Een keer in de week ofzo op de laadpad leggen en klaar. Maar ja, dan kan je niet meer van die goedkope horloges kopen onder 10 euro.

Of een afstandbediening van beeld- en geluidsinstallaties.

[Pathogen]

Maar... Als je eens in de week je horloge oplaadt, dan laad je dus de batterij in het horloge op.

[FrostyPeet]

Ik bedoel iets anders dan een batterij wat tijdelijk energie opslaat en afgeeft. Net zoals een condensator bijvoorbeeld even een beetje energie kan opslaan en afgeven.

[Wilfred86]

Deze bestaan ook al in de vorm van de Seiko Kinetic, een quartz-horloge dat in de beginperiode een condensator bevatte. Later zijn ze overgestapt op li-ion batterijen, volgens mij omdat de condensatoren wel eens problemen gaven en een beperkte capaciteit hadden (https://www.watch-wiki.ne...action=toggle_view_mobile).

Casio heeft ook nog een horloge met een zonnecel dat met een grote condensator van Panasonic werkt, de AL-180 (https://whichwatchtoday.b...less-2505-module.html?m=1).

Verder zijn er natuurlijk de klassieke horloges die energie opslaan in een veer en dan afgeven aan het mechaniek, waardoor het horloge loopt. Meestal hebben deze horloges echter maar een gangreserve van een paar dagen. Ook zijn ze minder nauwkeurig dan een quartz-uurwerk.

Als laatste heeft Seiko de zogenaamde "spring-drive", eigenlijk een volledig mechanisch horloge dat pas bij de laatste stap de energie omzet in elektriciteit. De energie wordt hier net als bij een mechanisch horloge opgeslagen in een veer, maar de nauwkeurigheid is vergelijkbaar met een quartz-horloge. Helaas gebruikt Seiko dit uurwerk alleen in horloges van het duurdere segment (vanaf zo'n 2000€ ongeveer) (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Spring_Drive).

[BL3ND3D]

Of een mechanisch horloge met handwindfunctie of automaat.

[batjes]

Je hebt al heel lang batterijloze horloges. De erg oude variant moet je elke week even zelf aandraaien en je hebt ook een variant waarbij de horloge wat energie weet te winnen uit normale armbewegingen en zo de spoel een beetje kan opwinden.