من المتوقع أن يصل عدد أجهزة إنترنت الأشياء المتصلة ليقفز إلى 125 مليار بحلول عام 2030. ليس من الصعب تصديق ذلك، مثل الإنفاق العالمي على إنترنت الأشياء وصلت إلى 745 مليار دولار في عام 2019. على هذه الخلفية، يتعرض مصممو الإلكترونيات لضغوط لتحسين التصميمات خاصة عندما يتعلق الأمر بعمر البطارية.
في هذه المقالة ، يقدم Dunstan Power ، مدير ByteSnap Design ، رؤى ثاقبة في الاعتبارات الرئيسية لتصميم أنظمة الراديو اللاسلكية منخفضة الطاقة.
تحقيق التوازن
يعد تقليل استهلاك الطاقة للجهاز أثناء محاولة تحقيق المستوى المطلوب من الوظائف أحد أكثر الجوانب صعوبة في تصميم الطاقة المنخفضة. كل جهاز لاسلكي ناجح منخفض الطاقة متوفر حاليًا هو نتيجة لعملية موازنة ناجحة ، حيث قام المطورون بموازنة أولوياتهم وقاموا بسلسلة من التنازلات التي نتج عنها جهاز يعمل.
تصميم البرمجيات
تحدد اختيارات النظام التي يتم إجراؤها في بداية المشروع ما يمكن تحقيقه. يوصى بالتصميم من أجل طاقة منخفضة منذ البداية، مع الاعتبار الأول وهو نوع الراديو الذي سيتم نشره. الاختيار واسع بدءًا من أجهزة الراديو قصيرة المدى، مثل ZigBee وThread وBluetooth وWi-Fi إلى الراديو طويل المدى منخفض الطاقة، بما في ذلك LoRa وSigFox وWeightless، وأنظمة الراديو الخلوية.
تنتشر بعض الأطوال الموجية الراديوية بشكل أفضل بكثير من غيرها ، مما يعني زيادة كفاءة الطاقة. تميل الترددات المنخفضة إلى الانتشار بشكل أفضل من الترددات الأعلى ، لكن الحل الوسط هو أن معدل البيانات المحتمل ينخفض. تميل الترددات الأعلى إلى تغطية مسافات أقصر ، لكن لها نطاق ترددي أعلى وسرعات إرسال أسرع. كلما طالت المسافة التي تحتاجها إشارات المسافة للتنقل ، كانت السرعة التي يمكنك استخدامها بشكل عام أبطأ.
ضع في اعتبارك أيضًا طوبولوجيا النظام الراديوي - يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة كفاءة وسرعة النظام عند إدارته بشكل صحيح. تعتبر طبولوجيا Star مثالية عندما لا يعمل الجهاز الرئيسي بالبطارية ويكون قادرًا على إدارة حمل الشبكة بمفرده. بدلاً من ذلك ، عندما تكون جميع الأجهزة منخفضة الطاقة ، يمكن أن تكون الشبكة المعشقة ذات أجهزة إعادة الإرسال المتعددة أكثر ملاءمة.
عادة ما يكون اختيار الميكروكونترولر مباشرًا وعادة ما يكون للمصمم عائلة / مصنع مألوف لديهم. تحتوي معظم المعالجات الصغيرة هذه الأيام - PIC- و AVR- و ARM - على أوضاع منخفضة الطاقة يمكن استخدامها لتقليل الطاقة المطلوبة أثناء التشغيل. إنهم يعتمدون على المقاطعة لإيقاظهم مرة أخرى. يحتوي العديد منها أيضًا على نظام إيقاظ سريع للحفاظ على الوقت عند الحد الأدنى وبالتالي تقليل الطاقة المستخدمة.
النطاق اللاسلكي منخفض الطاقة يعني أن اختيار البطارية يختلف في كل مشروع. ومع ذلك ، عندما يتطلب نظام الراديو دفعات غير متكررة من التيار ، أو إذا كانت البطارية بحاجة إلى إعادة الشحن ، فغالبًا ما تكون الخيارات محدودة بسرعة.
يمكن أن تساعد أوراق بيانات الشركة المصنعة للبطارية ، لكن معظمها سيُظهر منحنيات تفريغ البطارية بناءً على استنزاف تيار مستمر ، وعادةً ما يكون عند سحب تيار أعلى مما يستخدمه نظام طاقة منخفضة. يجب استخدام بعض الاستيفاء لمعرفة ما سيحدث في نظام الطاقة المنخفضة.
أيضًا ، تميل أنظمة الراديو مثل هذه إلى استخدام الحد الأدنى من الطاقة أثناء النوم ثم تتطلب نبضات كبيرة من التيار عند الاستيقاظ للاستقبال والإرسال. بعض البطاريات غير مناسبة لهذا.
تؤثر العوامل البيئية أيضًا على اختيار البطارية واستخدامها. ستعمل البيئة الباردة على تقليل جهد البطارية وإجمالي عمر البطارية المفيد للجهاز. يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المرتفعة سلبًا على بعض البطاريات.
وبالتالي فإن عملية اختيار البطارية تكرارية. للعثور على أفضل مرشح ، يجدر تجربة بعض الأنواع التي تناسب المواصفات. يعرض هذا الجدول بعض خصائص بعض أنواع البطاريات الشائعة:
النوع | جهد الخلية | كثافة الطاقة | نطاق درجة حرارة التفريغ النموذجي (درجة مئوية) | الاستعداد مدى الحياة | قابلة للشحن؟ | الحد الأقصى الحالي |
لى ايون | 3.6 | مرتفع | ٢٠٢٤/٢٠٢٣ | منخفض | نعم | مرتفع |
قلوي | 1.5 | مرتفع | -18 - 55 | مرتفع | لا | متوسط |
نيمه | 1.2 | منخفض | -20 - 65 | منخفض | نعم | مرتفع |
خلية لي كوين | 3 | منخفض | -30 - 60 | مرتفع | لا (عادة) | منخفض |
LiSoCl2 | 3 | مرتفع | -80 - 125 | عالي جدا | لا | مرتفع |
بمجرد اختيار البطارية ، يجب تحديد نقطة قطع. بالنسبة لأنظمة الطاقة المنخفضة للغاية بشكل عام ، يلزم توخي الحذر الشديد مع المكونات التي يتغير أداؤها مع الجهد. تحتوي شاشات LCD ومصابيح LED ، على سبيل المثال ، على بطاريات يمكن أن تنخفض حتى يختفي التباين أو تنطفئ مصابيح LED. للحصول على أفضل تجربة للمستخدم ، يجب عليك التأكد من أن الجهد الكهربي للبطارية الذي تعمل عليه كافٍ للحفاظ على تشغيلها.
إذا كان النظام يتطلب جهد دخل (عند الوصول إلى نقطة القطع بينما لا تزال البطاريات لديها سعة قابلة للاستخدام - على سبيل المثال، إذا تم قطع نظام 3 فولت اسمي عند 2.5 فولت)، فقد يكون من الضروري استخدام منظم التعزيز. هناك تنازلات يجب مراعاتها عند القيام بذلك بالرغم من ذلك:
· ما الجهد الذي يجب ضبط المنظم عليه؟
· ما هي كفاءة المنظم وكيف تختلف مع جهد الدخل؟
· ماذا يحدث عندما يكون جهد الإدخال أعلى من الجهد المحدد، أي عند تركيب بطاريات جديدة؟
· هل تؤدي الطاقة التي يهدرها المنظم بسبب عدم الكفاءة إلى إلغاء أي مكاسب في السعة؟
· هل يمكن لمحول التعزيز استخدام سعة البطارية بالكامل عن طريق تصريفها إلى جهد كهربائي أقل منه سيتم إيقاف تشغيل النظام؟
تصميم الأجهزة
قلل عمليات السحب ونصائح التصميم الأخرى
يتطلب تصميم نظام الراديو اللاسلكي منخفض الطاقة الانتباه إلى التفاصيل التي يتم تجاهلها بسهولة في الأجهزة حيث يكون استهلاك الطاقة غير مهم.
مع الأنظمة العادية التي تعمل بالتيار الكهربائي ، لا داعي للقلق بشأن عناصر مثل التسرب الحالي من خلال مقاومات السحب. في أنظمة الطاقة المنخفضة ، يمكن أن يصبح استهلاك الطاقة هذا مشكلة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه بعض التنازلات:
قم بضبط الهوائي
حتى إذا كان النطاق مهمًا في التصميم ، تذكر أن تضبط الهوائي. عند القيام بذلك ، يمكن للمهندسين تقليل طاقة النقل اللازمة لتحقيق النطاق المطلوب.
الاستجابة ووقت الاستيقاظ
يجب أن يصل الجهاز اللاسلكي منخفض الطاقة إلى حالة "مفيدة" بسرعة. الوقت بين لمس المستخدم للشاشة واستجابة النظام هو الوقت الذي يتم فيه تشغيل الإضاءة الخلفية وسحب الطاقة ، مما قد يؤدي إلى إبطاء وقت الاستجابة. عادة ما يكون هناك مكون واحد أو أكثر مخصص لإيقاظ المعالج الرئيسي ولا يعد إيقاف تشغيل الجهاز طريقة مفيدة لتوفير طاقة البطارية.
المزامنة
تتواصل العديد من أجهزة الراديو منخفضة الطاقة مع بعضها البعض لتلقي البيانات أو التعليمات. لكي يحدث هذا ، من الضروري أن يكون المتلقي قيد التشغيل لتلقي المعلومات. يجب مزامنة كلا الطرفين والبقاء متزامنين ، لكننا نوصي بتقليل استخدام جهاز الاستقبال المطلوب لهذا الغرض.
في الأنظمة التي يتواصل فيها جهازان يعملان بالبطارية ، سيدخل كلاهما في أوضاع منخفضة الطاقة / السكون للحفاظ على عمر البطارية. لذلك ، لا يمكن ضمان وصول البيانات أو تلقيها بدون تلف ، ومن ثم تم تطوير بروتوكولات مختلفة ، مثل اكتشاف الأخطاء والإقرارات ، لمكافحة ذلك.
احذر الانجراف في درجة الحرارة
يستخدم كل جهاز نشط في النظام ساعات من نوع ما. يمكن أن تنجرف هذه مع درجة الحرارة ، مما يعني أنه من الضروري ملاحظة العوامل البيئية التي قد تؤدي إلى اختلافات زمنية بين الأجهزة النشطة. من الأهمية بمكان أن يؤخذ الانجراف في الاعتبار عند تصميم النظام لأنه يمكن أن يؤدي إلى زيادة في استهلاك طاقة البطارية.
تقليل قوة الإرسال
لا تقم بزيادة طاقة الخرج بشكل غير ضروري بما يتجاوز ما هو مطلوب - إذا كان الارتباط اللاسلكي يجب أن يصل فقط إلى عشرة أمتار ، فمن غير المرجح أن تكون طاقة الخرج 5 ديسيبل مطلوبة.
نبضات الإرسال القصيرة
عندما يكون جهاز الإرسال في وضع التشغيل ، يكون الراديو منخفض الطاقة في أقصى حالة طاقة له. لذلك ، من المنطقي تقليل ذلك في الوقت المناسب. هذا يعني تقليل كمية البيانات التي يتم إرسالها.
لتقليل وقت استقبال المتلقي، ينصب التركيز على كمية البيانات التي سيتم إرسالها وما يتم الاتصال به. إذا كان النظام بحاجة إلى التشغيل باستمرار، فيمكن بعد ذلك تقليل وقت جهاز الاستقبال لأن المهندس يعلم بالفعل أن النظام قيد التشغيل ويمكنه الإرسال في أي وقت.
تحديث أنظمة الراديو
هناك طريقتان لتحديث نظام الراديو: يدويًا ، والذي يتضمن الدخول إلى كل وحدة وتحديثها ، وعبر الهواء (OTA) ، حيث يقوم الراديو نفسه بتحديث الكود داخل الوحدة. تعد تحديثات OTA أكثر كفاءة بشكل عام ، ولكن هناك فرصة متزايدة لحدوث خطأ ما. لذلك ، تعتبر الخزائن الفاشلة أمرًا حيويًا في ضمان استمرار النظام في العمل.
اختبار دفعة
مع الأجهزة منخفضة الطاقة التي تعمل بالبطارية ، يمكنك العمل بأقل من الحد الأقصى لأداء المكون. مع الأجهزة النشطة مثل FETs ، حيث تعتمد على انخفاض الجهد المنخفض ، سيكون هناك دائمًا اختلاف في خصائص الجهاز مما قد يؤثر على الأداء.
يُعد اختبار الدُفعات أمرًا جديرًا بالاهتمام للتأكد من أن أي تغيير لن يؤثر على تشغيل الجهاز. من أجل تجنب الآلام أثناء الإنتاج الضخم ، يجدر محاكاة بعض جوانب التصميم الأبسط باستخدام محاكاة سبايس ، مثل درجات الحرارة والجهد المتطرف.
وتذكر - تجربة المستخدم وتوقعاته اعتبارات حيوية. يمكن للمهندس تصميم نظام طاقة منخفض بشكل مذهل لا يرضي المستخدم النهائي لأنه قد يتوقع أن يستجيب بشكل أسرع بكثير مما يفعل في الواقع. هذا هو المكان الذي يحدث فيه فعل التوازن حقًا ، ولكن مع التقنيات المتاحة والمهندسين ذوي الخبرة ، فإن التنازلات ممكنة.
(الصورة من تصوير ميكا بومير on Unsplash)
هل تريد معرفة المزيد من المديرين التنفيذيين وقادة الفكر في هذا المجال؟ معرفة المزيد حول عالم التوأم الرقمي هذا الحدث، الذي سيعقد في الفترة من 8 إلى 9 سبتمبر 2021، والذي سيستكشف نتائج الأعمال المتزايدة بشكل أكثر عمقًا والصناعات التي ستستفيد.
المصدر: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ Saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- حسابي
- نشط
- الكل
- هوائي
- البند
- بطاريات
- بطارية
- أفضل
- مليار
- بلوتوث
- مجلس
- الأعمال
- كامبردج
- الطاقة الإنتاجية
- عميل
- الكود
- عملة
- مشترك
- استهلاك
- استمر
- حالياًّ
- البيانات
- تصميم
- مصمم
- كشف
- المطورين
- الأجهزة
- مدير المدارس
- مسافة
- قطرة
- كفاءة
- الإلكترونيات
- ينتهي
- مهندس
- الهندسة
- المهندسين
- البيئة
- بيئي
- الحدث/الفعالية
- مُديرين تنفيذيين
- FAST
- الشكل
- الاسم الأول
- تناسب
- تركز
- FPGA
- العلاجات العامة
- العالمية
- مرتفع
- كيفية
- HTTPS
- بما فيه
- القيمة الاسمية
- الصناعات
- العالمية
- معلومات
- رؤى
- قام المحفل
- أجهزة IOT
- IT
- القفل
- كبير
- قيادة
- مستوى
- محدود
- LINK
- تحميل
- الشركة المصنعة
- الشبكة التشعبية
- شبكة
- عروض
- تعمل
- مزيد من الخيارات
- طلب
- أخرى
- أخرى
- أداء
- قوة
- الضغط
- الإنتــاج
- تنفيذ المشاريع
- راديو
- نطاق
- تخفيض
- استجابة
- إنقاذ
- شاشة
- إحساس
- مسلسلات
- طقم
- قصير
- محاكاة
- تباطؤ
- صغير
- So
- الفضاء
- سرعة
- الإنفاق
- الولايه او المحافظه
- إقامة
- ناجح
- الدعم
- مفاتيح
- نظام
- أنظمة
- التكنولوجيا
- الاختبار
- الوقت
- سفر
- جامعة
- تحديث
- آخر التحديثات
- موجات
- ما هي تفاصيل
- واي فاي
- لاسلكي
- في غضون
- للعمل
- قيمة