Die Anzahl der angeschlossenen IoT-Geräte wird prognostiziert bis 125 auf 2030 Milliarden ansteigen. Dies ist angesichts der weltweiten IoT-Ausgaben nicht schwer zu glauben erreichte 745 2019 Milliarden US-Dollar. Vor diesem Hintergrund stehen Elektronikentwickler unter dem Druck, Designs zu optimieren, insbesondere im Hinblick auf die Batterielebensdauer.
In diesem Artikel bietet Dunstan Power, Direktor von ByteSnap Design, Einblicke in die wichtigsten Überlegungen zum Design von drahtlosen Funksystemen mit geringem Stromverbrauch.
Der Balanceakt
Die Reduzierung des Stromverbrauchs eines Geräts, während versucht wird, das gewünschte Funktionalitätsniveau zu erreichen, ist einer der schwierigsten Aspekte des Designs mit geringem Stromverbrauch. Jedes derzeit erhältliche erfolgreiche drahtlose Gerät mit geringem Stromverbrauch ist das Ergebnis eines erfolgreichen Balanceakts, bei dem die Entwickler ihre Prioritäten abgewogen und eine Reihe von Kompromissen eingegangen sind, die zu einem funktionierenden Gerät geführt haben.
Software-Design
Zu Beginn eines Projekts getroffene Systementscheidungen bestimmen, was erreicht werden kann. Es wird empfohlen, von Anfang an auf geringe Leistung zu achten, wobei die erste Überlegung die Art des einzusetzenden Funkgeräts sein sollte. Die Auswahl ist groß und reicht von Kurzstreckenfunkgeräten wie ZigBee, Thread, Bluetooth und Wi-Fi bis hin zu Langstreckenfunkgeräten mit geringem Stromverbrauch, darunter LoRa, SigFox und Weightless, und Mobilfunksystemen.
Einige Funkwellenlängen breiten sich viel besser aus als andere, was eine erhöhte Energieeffizienz bedeutet. Niedrigere Frequenzen verbreiten sich tendenziell besser als höhere Frequenzen, aber der Kompromiss besteht darin, dass die potenzielle Datenrate reduziert wird. Höhere Frequenzen decken tendenziell kürzere Distanzen ab, haben jedoch eine höhere Bandbreite und schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten. Je länger die Entfernungssignale zurückgelegt werden müssen, desto geringer ist die Geschwindigkeit, die Sie im Allgemeinen verwenden können.
Berücksichtigen Sie auch die Topologie des Funksystems – dies kann bei richtiger Verwaltung die Effizienz und Geschwindigkeit des Systems erhöhen. Sterntopologien sind ideal, wenn das Master-Gerät nicht batteriebetrieben ist und die Netzwerklast allein bewältigen kann. Wenn alle Geräte einen geringen Stromverbrauch haben, könnte alternativ ein Mesh-Netzwerk mit mehreren Repeatern besser geeignet sein.
Die Wahl des Mikrocontrollers ist normalerweise einfach und ein Designer hat normalerweise eine Familie/einen Hersteller, mit dem er vertraut ist. Die meisten kleinen Prozessoren – PIC-, AVR-, ARM-basiert – verfügen heutzutage über Low-Power-Modi, die verwendet werden können, um den Stromverbrauch während des Betriebs zu reduzieren. Sie verlassen sich auf eine Unterbrechung, um sie wieder aufzuwecken. Viele von ihnen verfügen auch über ein schnelles Wecksystem, um die Zeit auf ein Minimum zu reduzieren und so den Stromverbrauch zu reduzieren.
Die Reichweite der stromsparenden Wireless-Technologie bedeutet, dass die Batterieauswahl bei jedem Projekt variiert. Wenn das Funksystem jedoch selten Stromstöße benötigt oder die Batterie wiederaufladbar ist, sind die Möglichkeiten oft schnell eingeschränkt.
Datenblätter der Batteriehersteller können helfen, aber die meisten zeigen Batterieentladungskurven basierend auf einer konstanten Stromaufnahme und normalerweise bei einer höheren Stromaufnahme als ein System mit geringer Leistung. Eine gewisse Interpolation muss verwendet werden, um herauszufinden, was in einem System mit niedriger Leistung passieren wird.
Außerdem neigen Funksysteme wie dieses dazu, während des Schlafens minimale Leistung zu verbrauchen und dann im Wachzustand große Stromimpulse zum Empfangen und Senden zu benötigen. Einige Batterien sind dafür nicht geeignet.
Umweltfaktoren beeinflussen auch die Wahl der Batterie und deren Verwendung. Eine kalte Umgebung verringert die Spannung einer Batterie und die gesamte nutzbare Batterielebensdauer des Geräts. Hohe Temperaturen können sich auch nachteilig auf einige Batterien auswirken.
Der Batterieauswahlprozess ist folglich iterativ. Um den besten Kandidaten zu finden, lohnt es sich, einige Typen auszuprobieren, die den Spezifikationen entsprechen. Diese Tabelle zeigt einige Eigenschaften einiger gängiger Batterietypen:
Typ | Zellenspannung | Energiedichte | Typischer Entladetemperaturbereich (°C) | Standby-Lebensdauer | Wiederaufladbar? | Max Current |
Li Ion | 3.6 | High | 0 – 50 | Sneaker | Ja | High |
Alkalisch | 1.5 | High | -18 - 55 | High | Nein | Medium |
NiMH | 1.2 | Sneaker | -20 - 65 | Sneaker | Ja | High |
Li-Knopfzelle | 3 | Sneaker | -30 - 60 | High | Nein (normalerweise) | Sneaker |
LiSoCl2 | 3 | High | -80 - 125 | Sehr hoch | Nein | High |
Nachdem die Batterieauswahl getroffen wurde, muss ein Abschaltpunkt festgelegt werden. Bei Ultra-Low-Power-Systemen im Allgemeinen ist bei Komponenten, deren Leistung sich mit der Spannung ändert, besondere Vorsicht geboten. LCD-Displays und LEDs haben beispielsweise Batterien, die so weit abnehmen können, dass der Kontrast verschwindet oder die LEDs ausgehen. Für die beste Benutzererfahrung müssen Sie sicherstellen, dass die Batteriespannung, auf die Sie arbeiten, ausreicht, um diese betriebsbereit zu halten.
Wenn das System eine Eingangsspannung benötigt (wenn der Abschaltpunkt erreicht wird, während die Batterien noch über nutzbare Kapazität verfügen – z. B. wenn ein nominell 3-V-System bei 2.5 V abschaltet), kann ein Boost-Regler erforderlich sein. Dabei sind jedoch Kompromisse zu berücksichtigen:
· Auf welche Spannung soll der Regler eingestellt werden?
· Wie hoch ist der Wirkungsgrad des Reglers und wie variiert er mit der Eingangsspannung?
· Was passiert, wenn die Eingangsspannung höher ist als die eingestellte Spannung, also wenn neue Batterien eingesetzt werden?
· Macht die von der Regulierungsbehörde aufgrund von Ineffizienzen verschwendete Energie etwaige Kapazitätsgewinne zunichte?
· Könnte ein Aufwärtswandler die Kapazität der Batterie vollständig nutzen, indem er sie auf eine Spannung entlädt, bei deren Unterschreitung das System abschaltet?
Hardware-Design
Minimiere Klimmzüge und andere Designtipps
Das Design von drahtlosen Funksystemen mit geringem Stromverbrauch erfordert Aufmerksamkeit auf Details, die bei Geräten, bei denen der Stromverbrauch unwichtig ist, leicht ignoriert werden.
Bei normalen netzbetriebenen Systemen müssen Sie sich keine Sorgen um Elemente wie Kriechströme durch Pullup-Widerstände machen. In Systemen mit niedriger Leistung kann dieser Stromverbrauch zu einem Problem werden. Hier kommen einige der Kompromisse ins Spiel:
Antenne einstellen
Auch wenn die Reichweite beim Design wichtig ist, denken Sie daran, die Antenne abzustimmen. Auf diese Weise können Ingenieure die erforderliche Sendeleistung minimieren, um die gewünschte Reichweite zu erzielen.
Reaktionsfähigkeit und Weckzeit
Ein drahtloses Gerät mit geringem Stromverbrauch muss schnell einen 'nützlichen' Zustand erreichen. Die Zeit zwischen dem Berühren des Bildschirms durch den Benutzer und der Reaktion des Systems ist die Zeit, in der Ihre Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet ist und Strom verbraucht, was möglicherweise die Reaktionszeit verlangsamt. Normalerweise gibt es eine oder mehrere Komponenten, die dem Aufwecken des Hauptprozessors gewidmet sind, und das einfache Ausschalten des Geräts ist keine sinnvolle Methode, um Batteriestrom zu sparen.
Synchronisation
Viele Funkgeräte mit geringer Leistung kommunizieren miteinander, um Daten oder Anweisungen zu empfangen. Dazu ist es wichtig, dass der Empfänger eingeschaltet ist, um die Informationen zu empfangen. Beide Enden müssen synchronisiert sein und synchronisiert bleiben, aber wir empfehlen, die dafür erforderliche Empfängernutzung zu minimieren.
In Systemen, in denen zwei batteriebetriebene Geräte kommunizieren, gehen beide in den Energiespar-/Schlafmodus, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Es kann also nicht garantiert werden, dass Daten unbeschädigt durchkommen oder empfangen werden, daher wurden verschiedene Protokolle wie Fehlererkennung und Bestätigungen entwickelt, um dies zu bekämpfen.
Achtung Temperaturdrift
Jedes aktive Gerät im System verwendet irgendwelche Taktgeber. Diese können mit der Temperatur driften, daher ist es wichtig, Umgebungsfaktoren zu beachten, die zu Zeitunterschieden zwischen aktiven Geräten führen können. Es ist wichtig, dass die Drift bei der Auslegung des Systems berücksichtigt wird, da sie zu einer Erhöhung des Batteriestromverbrauchs führen kann.
TX-Leistung minimieren
Erhöhen Sie die Ausgangsleistung nicht unnötig über das erforderliche Maß hinaus – wenn die Funkstrecke nur zehn Meter erreichen soll, sind 5 dB Ausgangsleistung unwahrscheinlich.
Kurze Sendeimpulse
Wenn der Sender eingeschaltet ist, befindet sich ein Funkgerät mit geringer Leistung im maximalen Leistungszustand. Daher ist es sinnvoll, diese rechtzeitig zu minimieren. Das bedeutet, die übertragene Datenmenge zu reduzieren.
Um die Empfängerzeit zu minimieren, liegt der Schwerpunkt auf der zu übertragenden Datenmenge und dem, mit dem kommuniziert wird. Wenn das System ständig eingeschaltet sein muss, kann die Empfängerzeit minimiert werden, da der Techniker bereits weiß, dass das System eingeschaltet ist und jederzeit senden kann.
Aktualisierung der Funksysteme
Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Funksystem zu aktualisieren: Manuell, bei dem in jedes Gerät eingegriffen und aktualisiert wird, und Over-the-Air (OTA), bei dem das Funkgerät selbst den Code im Gerät aktualisiert. OTA-Updates sind im Allgemeinen viel effizienter, es besteht jedoch eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass etwas schief geht. Fail-Safes sind daher unerlässlich, um sicherzustellen, dass das System weiterhin funktioniert.
Chargentest
Bei batteriebetriebenen Geräten mit geringem Stromverbrauch können Sie knapp unter der Leistungsgrenze der Komponente arbeiten. Bei aktiven Geräten wie FETs, bei denen Sie auf einen geringen Spannungsabfall angewiesen sind, gibt es immer Unterschiede in den Geräteeigenschaften, die die Leistung beeinträchtigen können.
Chargentests sind sinnvoll, um sicherzustellen, dass Abweichungen den Betrieb des Geräts nicht beeinträchtigen. Um Probleme bei der Massenproduktion zu vermeiden, lohnt es sich, einige der einfacheren Designaspekte mit einem SPICE-Simulator zu simulieren, wie Temperatur- und Spannungsextreme.
Und denken Sie daran – Benutzererfahrung und Erwartungen sind wichtige Überlegungen. Ein Ingenieur könnte ein System mit einem fantastisch niedrigen Stromverbrauch entwerfen, das den Endbenutzer nicht zufriedenstellt, weil er möglicherweise erwartet, dass es viel schneller reagiert, als es tatsächlich der Fall ist. Hier findet wirklich der Spagat statt, aber mit den verfügbaren Technologien und erfahrenen Ingenieuren sind Kompromisse möglich.
(Foto von Mika Baumeister on Unsplash)
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Quelle: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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