Ο αριθμός των συνδεδεμένων συσκευών IoT προβλέπεται να άλμα στα 125 δισεκατομμύρια έως το 2030. Αυτό δεν είναι δύσκολο να το πιστέψει κανείς, καθώς οι παγκόσμιες δαπάνες για το IoT έφτασε τα 745 δισεκατομμύρια δολάρια το 2019. Σε αυτό το πλαίσιο, οι σχεδιαστές ηλεκτρονικών ειδών βρίσκονται υπό πίεση να βελτιστοποιήσουν τα σχέδια, ειδικά όταν πρόκειται για τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Σε αυτό το άρθρο, ο Dunstan Power, Διευθυντής του ByteSnap Design, προσφέρει πληροφορίες σχετικά με βασικά ζητήματα για το σχεδιασμό ασύρματων ραδιοφωνικών συστημάτων χαμηλής ισχύος.
Η πράξη εξισορρόπησης
Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας μιας συσκευής κατά την προσπάθεια επίτευξης του επιθυμητού επιπέδου λειτουργικότητας είναι μια από τις πιο απαιτητικές πτυχές του σχεδιασμού χαμηλής ισχύος. Κάθε επιτυχημένη ασύρματη συσκευή χαμηλής κατανάλωσης που είναι διαθέσιμη αυτή τη στιγμή είναι το αποτέλεσμα μιας επιτυχημένης πράξης εξισορρόπησης, όπου οι προγραμματιστές έχουν σταθμίσει τις προτεραιότητές τους και έχουν κάνει μια σειρά συμβιβασμών που έχουν ως αποτέλεσμα μια λειτουργική συσκευή.
Σχεδίαση λογισμικού
Οι επιλογές συστήματος που γίνονται στην αρχή ενός έργου υπαγορεύουν τι μπορεί να επιτευχθεί. Συνιστάται να σχεδιάζετε εξαρχής για χαμηλή ισχύ, με πρώτο θέμα τον τύπο του ραδιοφώνου που θα αναπτυχθεί. Η επιλογή είναι τεράστια από ραδιόφωνα μικρής εμβέλειας, όπως ZigBee, Thread, Bluetooth και Wi-Fi έως ραδιόφωνο μεγάλης εμβέλειας χαμηλής κατανάλωσης, συμπεριλαμβανομένων των LoRa, SigFox και Weightless, και κυψελωτών ραδιοφωνικών συστημάτων.
Ορισμένα μήκη κύματος ραδιοφώνου διαδίδονται πολύ καλύτερα από άλλα, πράγμα που σημαίνει αυξημένη απόδοση ισχύος. Οι χαμηλότερες συχνότητες τείνουν να διαδίδονται καλύτερα από τις υψηλότερες συχνότητες, αλλά ο συμβιβασμός είναι ότι ο δυνητικός ρυθμός δεδομένων μειώνεται. Οι υψηλότερες συχνότητες τείνουν να καλύπτουν μικρότερες αποστάσεις, αλλά έχουν υψηλότερο εύρος ζώνης και μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης. Όσο περισσότερο χρειάζεται να διανύσουν τα σήματα απόστασης, τόσο πιο αργή είναι η ταχύτητα που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε γενικά.
Εξετάστε επίσης την τοπολογία του ραδιοφωνικού συστήματος – αυτό μπορεί να αυξήσει την απόδοση και την ταχύτητα του συστήματος όταν διαχειρίζεται σωστά. Οι τοπολογίες αστεριών είναι ιδανικές όταν η κύρια συσκευή δεν τροφοδοτείται από μπαταρία και είναι σε θέση να διαχειριστεί μόνη της το φόρτο του δικτύου. Εναλλακτικά, όπου όλες οι συσκευές είναι χαμηλής ισχύος, ένα δίκτυο πλέγματος με πολλαπλούς επαναλήπτες θα μπορούσε να είναι πιο κατάλληλο.
Η επιλογή του μικροελεγκτή είναι συνήθως απλή και ένας σχεδιαστής θα έχει συνήθως μια οικογένεια/κατασκευαστή με τον οποίο είναι εξοικειωμένος. Οι περισσότεροι μικροί επεξεργαστές σήμερα – βασισμένοι σε PIC, AVR, ARM – διαθέτουν λειτουργίες χαμηλής ισχύος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση της απαιτούμενης ισχύος κατά τη λειτουργία. Βασίζονται σε μια διακοπή για να τους ξυπνήσει ξανά. Πολλά από αυτά διαθέτουν επίσης σύστημα γρήγορης αφύπνισης για να διατηρείται η ώρα στο ελάχιστο και έτσι να μειώνεται η ισχύς που χρησιμοποιείται.
Το εύρος ασύρματης σύνδεσης χαμηλής ισχύος σημαίνει ότι η επιλογή της μπαταρίας ποικίλλει σε κάθε έργο. Ωστόσο, όταν το σύστημα ραδιοφώνου απαιτεί σπάνιες εκρήξεις ρεύματος ή η μπαταρία πρέπει να είναι επαναφορτιζόμενη, οι επιλογές συχνά περιορίζονται γρήγορα.
Τα φύλλα δεδομένων κατασκευαστή μπαταριών μπορούν να βοηθήσουν, αλλά τα περισσότερα θα εμφανίζουν καμπύλες εκφόρτισης μπαταρίας με βάση μια σταθερή αποστράγγιση ρεύματος και συνήθως με υψηλότερη κατανάλωση ρεύματος από ό,τι θα χρησιμοποιήσει ένα σύστημα χαμηλής ισχύος. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί κάποια παρεμβολή για να καταλάβουμε τι θα συμβεί σε ένα σύστημα χαμηλής ισχύος.
Επίσης, ραδιοσυστήματα όπως αυτό τείνουν να χρησιμοποιούν ελάχιστη ισχύ ενώ κοιμούνται και στη συνέχεια απαιτούν μεγάλους παλμούς ρεύματος όταν είναι ξύπνιοι για λήψη και μετάδοση. Ορισμένες μπαταρίες δεν είναι κατάλληλες για αυτό.
Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν επίσης την επιλογή της μπαταρίας και τη χρήση τους. Ένα κρύο περιβάλλον θα μειώσει την τάση της μπαταρίας και τη συνολική ωφέλιμη διάρκεια ζωής της μπαταρίας της συσκευής. Οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να επηρεάσουν αρνητικά ορισμένες μπαταρίες.
Η διαδικασία επιλογής μπαταρίας είναι συνεπώς επαναληπτική. Για να βρείτε τον καλύτερο υποψήφιο, αξίζει να δοκιμάσετε μερικούς τύπους που ταιριάζουν στις προδιαγραφές. Αυτός ο πίνακας παρουσιάζει μερικά χαρακτηριστικά ορισμένων κοινών τύπων μπαταριών:
Χαρακτηριστικά | Τάση κυψέλης | Πυκνότητα ενέργειας | Τυπικό εύρος θερμοκρασίας εκφόρτισης (°C) | Διάρκεια ζωής αναμονής | Επαναφορτιζόμενη; | Μέγιστη κατανάλωση ρεύματος |
Li Ion | 3.6 | Ψηλά | 0 - 50 | Χαμηλός | Ναι | Ψηλά |
Αλκαλική | 1.5 | Ψηλά | -18 - 55 | Ψηλά | Οχι | Μέτριας Δυσκολίας |
NiMH | 1.2 | Χαμηλός | -20 - 65 | Χαμηλός | Ναι | Ψηλά |
Li Coin Cell | 3 | Χαμηλός | -30 - 60 | Ψηλά | Όχι (συνήθως) | Χαμηλός |
LiSoCl2 | 3 | Ψηλά | -80 - 125 | Πολύ ψηλά | Οχι | Ψηλά |
Αφού γίνει η επιλογή της μπαταρίας, πρέπει να καθοριστεί ένα σημείο αποκοπής. Για συστήματα εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης γενικά, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή με εξαρτήματα των οποίων η απόδοση αλλάζει με την τάση. Οι οθόνες LCD και οι λυχνίες LED, για παράδειγμα, έχουν μπαταρίες που μπορούν να μειωθούν τόσο πολύ ώστε να εξαφανιστεί η αντίθεση ή να σβήσουν τα LED. Για την καλύτερη εμπειρία χρήστη, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι η τάση της μπαταρίας στην οποία κατεβάζετε είναι αρκετή για να διατηρούνται σε λειτουργία.
Εάν το σύστημα απαιτεί τάση εισόδου (όταν επιτευχθεί το σημείο αποκοπής ενώ οι μπαταρίες έχουν ακόμη χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα – π.χ. εάν ένα ονομαστικό σύστημα 3V διακοπεί στα 2.5 V), τότε μπορεί να είναι απαραίτητος ένας ρυθμιστής ενίσχυσης. Ωστόσο, υπάρχουν συμβιβασμοί που πρέπει να ληφθούν υπόψη για να γίνει αυτό:
· Σε ποια τάση πρέπει να ρυθμιστεί ο ρυθμιστής;
· Ποια είναι η απόδοση του ρυθμιστή και πώς ποικίλλει ανάλογα με την τάση εισόδου;
· Τι συμβαίνει όταν η τάση εισόδου είναι υψηλότερη από την καθορισμένη τάση, δηλαδή όταν τοποθετούνται νέες μπαταρίες;
· Η ισχύς που σπαταλάται από τη ρυθμιστική αρχή λόγω αναποτελεσματικότητας ακυρώνει τυχόν κέρδη στη χωρητικότητα;
· Μπορεί ένας μετατροπέας ώθησης να χρησιμοποιήσει πλήρως τη χωρητικότητα της μπαταρίας αποφορτίζοντάς την σε τάση κάτω από την οποία θα απενεργοποιηθεί το σύστημα;
Σχεδιασμός υλικού
Ελαχιστοποιήστε τα pull-ups και άλλες συμβουλές σχεδίασης
Ο σχεδιασμός του ασύρματου ραδιοφωνικού συστήματος χαμηλής ισχύος απαιτεί προσοχή σε λεπτομέρειες που αγνοούνται εύκολα σε συσκευές όπου η κατανάλωση ενέργειας δεν είναι σημαντική.
Με κανονικά συστήματα που τροφοδοτούνται από το δίκτυο, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για στοιχεία όπως η διαρροή ρεύματος μέσω αντιστάσεων έλξης. Σε συστήματα χαμηλής ισχύος, αυτή η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να γίνει πρόβλημα. Εκεί έρχονται ορισμένοι από τους συμβιβασμούς:
Συντονίστε την κεραία
Ακόμα κι αν η εμβέλεια είναι σημαντική στο σχεδιασμό, θυμηθείτε να συντονίσετε την κεραία. Με αυτόν τον τρόπο, οι μηχανικοί μπορούν να ελαχιστοποιήσουν την ισχύ μετάδοσης που απαιτείται για να επιτευχθεί το επιθυμητό εύρος.
Απόκριση και χρόνος αφύπνισης
Μια ασύρματη συσκευή χαμηλής ισχύος πρέπει να φτάσει γρήγορα σε «χρήσιμη» κατάσταση. Ο χρόνος μεταξύ του αγγίγματος της οθόνης από τον χρήστη και της απόκρισης του συστήματος είναι ο χρόνος κατά τον οποίο ο οπίσθιος φωτισμός σας είναι αναμμένος και η τροφοδοσία ρεύματος, επιβραδύνοντας ενδεχομένως τον χρόνο απόκρισης. Συνήθως υπάρχουν ένα ή περισσότερα εξαρτήματα αφιερωμένα στην αφύπνιση του κύριου επεξεργαστή και η απλή απενεργοποίηση της συσκευής δεν είναι χρήσιμη μέθοδος εξοικονόμησης ενέργειας της μπαταρίας.
συγχρονισμός
Πολλές ραδιοφωνικές συσκευές χαμηλής ισχύος επικοινωνούν μεταξύ τους για να λάβουν δεδομένα ή οδηγίες. Για να συμβεί αυτό, είναι σημαντικό ο δέκτης να είναι ενεργοποιημένος για να λαμβάνει τις πληροφορίες. Και τα δύο άκρα πρέπει να είναι συγχρονισμένα και να παραμείνουν συγχρονισμένα, αλλά συνιστούμε να ελαχιστοποιήσετε τη χρήση του δέκτη που απαιτείται για αυτό.
Σε συστήματα όπου επικοινωνούν δύο συσκευές με τροφοδοσία μπαταρίας, και οι δύο θα εισέλθουν σε καταστάσεις χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας/αναστολής λειτουργίας για να διατηρήσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Επομένως, τα δεδομένα δεν είναι εγγυημένα ότι θα περάσουν ή θα ληφθούν χωρίς αλλοιώσεις, ως εκ τούτου διάφορα πρωτόκολλα, όπως η ανίχνευση σφαλμάτων και οι επιβεβαιώσεις, έχουν αναπτυχθεί για την καταπολέμηση αυτού.
Προσοχή στη μετατόπιση της θερμοκρασίας
Κάθε ενεργή συσκευή στο σύστημα χρησιμοποιεί κάποιου είδους ρολόγια. Αυτά μπορεί να μετατοπίζονται με τη θερμοκρασία, πράγμα που σημαίνει ότι είναι σημαντικό να σημειώνονται περιβαλλοντικοί παράγοντες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε διαφορές ώρας μεταξύ των ενεργών συσκευών. Είναι ζωτικής σημασίας να λαμβάνεται υπόψη η μετατόπιση κατά τον σχεδιασμό του συστήματος, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας της μπαταρίας.
Ελαχιστοποιήστε την ισχύ TX
Μην ενισχύετε άσκοπα την ισχύ εξόδου πέρα από αυτό που χρειάζεται – εάν η ραδιοζεύξη πρέπει να φτάσει μόνο τα δέκα μέτρα, τότε είναι απίθανο να απαιτείται ισχύς εξόδου 5dB.
Σφυγμοί σύντομης μετάδοσης
Όταν ο πομπός είναι ενεργοποιημένος, ένα ραδιόφωνο χαμηλής ισχύος βρίσκεται στη μέγιστη ισχύ του. Επομένως, είναι λογικό να το ελαχιστοποιήσετε εγκαίρως. Αυτό σημαίνει μείωση του όγκου των δεδομένων που μεταδίδονται.
Για να ελαχιστοποιηθεί ο δέκτης έγκαιρα, η εστίαση είναι στον όγκο των δεδομένων που πρέπει να μεταδοθούν και σε τι γίνεται με την επικοινωνία. Εάν το σύστημα πρέπει να είναι συνεχώς ενεργοποιημένο, ο χρόνος n του δέκτη μπορεί στη συνέχεια να ελαχιστοποιηθεί καθώς ο μηχανικός γνωρίζει ήδη ότι το σύστημα είναι ενεργοποιημένο και μπορεί να εκπέμψει ανά πάσα στιγμή.
Ενημέρωση ραδιοφωνικών συστημάτων
Υπάρχουν δύο τρόποι ενημέρωσης ενός ραδιοφωνικού συστήματος: Χειροκίνητα, που περιλαμβάνει είσοδο σε κάθε μονάδα και ενημέρωση, καθώς και μέσω του αέρα (OTA), όπου το ίδιο το ραδιόφωνο ενημερώνει τον κωδικό εντός της μονάδας. Οι ενημερώσεις OTA είναι γενικά πολύ πιο αποτελεσματικές, ωστόσο υπάρχει αυξημένη πιθανότητα κάτι να πάει στραβά. Επομένως, τα χρηματοκιβώτια αστοχίας είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση ότι το σύστημα θα συνεχίσει να λειτουργεί.
Μαζική δοκιμή
Με συσκευές χαμηλής ισχύος που λειτουργούν με μπαταρία, μπορείτε να λειτουργείτε ακριβώς κάτω από το όριο της απόδοσης του εξαρτήματος. Με ενεργές συσκευές όπως τα FET, όπου βασίζεστε σε χαμηλή πτώση τάσης, θα υπάρχει πάντα διαφορά στα χαρακτηριστικά της συσκευής που μπορεί να επηρεάσει την απόδοση.
Αξίζει να ελέγχετε κατά παρτίδες για να διασφαλίσετε ότι οποιαδήποτε παραλλαγή δεν θα θέσει σε κίνδυνο τη λειτουργία της συσκευής. Προκειμένου να αποφευχθούν οι πόνοι κατά τη μαζική παραγωγή, αξίζει να προσομοιώσετε μερικές από τις απλούστερες πτυχές σχεδιασμού χρησιμοποιώντας έναν προσομοιωτή SPICE, όπως ακραίες τιμές θερμοκρασίας και τάσης.
Και να θυμάστε – η εμπειρία και οι προσδοκίες χρήστη είναι ζωτικής σημασίας. Ένας μηχανικός θα μπορούσε να σχεδιάσει ένα φανταστικά χαμηλής ισχύος σύστημα που δεν ικανοποιεί τον τελικό χρήστη επειδή μπορεί να περιμένουν να ανταποκρίνεται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι στην πραγματικότητα. Εδώ συμβαίνει πραγματικά η πράξη εξισορρόπησης, αλλά με τις διαθέσιμες τεχνολογίες και τους έμπειρους μηχανικούς, συμβιβασμοί είναι δυνατοί.
(Φωτογραφία από Mike Baumeister on Unsplash)
Θέλετε να μάθετε περισσότερα από στελέχη και ηγέτες σκέψης σε αυτόν τον χώρο; Μάθετε περισσότερα για το Ψηφιακός δίδυμος κόσμος εκδήλωση, που θα λάβει χώρα στις 8-9 Σεπτεμβρίου 2021, η οποία θα διερευνήσει σε μεγαλύτερο βάθος τα αυξανόμενα επιχειρηματικά αποτελέσματα και τους κλάδους που θα ωφεληθούν.
Πηγή: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Λογαριασμός
- ενεργός
- Όλα
- κεραία
- άρθρο
- μπαταρίες
- μπαταρία
- ΚΑΛΎΤΕΡΟΣ
- Δισεκατομμύριο
- bluetooth
- επιτροπή
- επιχείρηση
- cambridge
- Χωρητικότητα
- πελάτες
- κωδικός
- Κρυπτονόμισμα
- Κοινός
- κατανάλωση
- ΣΥΝΕΧΕΙΑ
- Ρεύμα
- ημερομηνία
- Υπηρεσίες
- σχεδιαστής
- Ανίχνευση
- προγραμματιστές
- Συσκευές
- Διευθυντής
- απόσταση
- Πτώση
- αποδοτικότητα
- Ηλεκτρονική
- τελειώνει
- μηχανικός
- Μηχανική
- Μηχανικοί
- Περιβάλλον
- περιβάλλοντος
- Συμβάν
- στελέχη
- FAST
- Εικόνα
- Όνομα
- ταιριάζουν
- Συγκέντρωση
- FPGA
- General
- Παγκόσμιο
- Ψηλά
- Πως
- HTTPS
- Συμπεριλαμβανομένου
- Αυξάνουν
- βιομηχανίες
- βιομηχανία
- πληροφορίες
- ιδέες
- IoT
- iot συσκευές
- IT
- Κλειδί
- large
- οδηγήσει
- Επίπεδο
- Περιωρισμένος
- LINK
- φορτίο
- Κατασκευαστής
- Δίκτυο πλέγματος
- δίκτυο
- προσφορές
- λειτουργίας
- Επιλογές
- τάξη
- ΑΛΛΑ
- Άλλα
- επίδοση
- δύναμη
- χυτρα
- παραγωγή
- σχέδιο
- Ραδιόφωνο
- σειρά
- μείωση
- απάντησης
- οικονομία
- Οθόνη
- αίσθηση
- Σειρές
- σειρά
- Κοντά
- προσομοιωτής
- Αναστροφή
- small
- So
- Χώρος
- ταχύτητα
- Δαπάνες
- Κατάσταση
- παραμονή
- επιτυχής
- υποστήριξη
- διακόπτης
- σύστημα
- συστήματα
- Τεχνολογίες
- Δοκιμές
- ώρα
- ταξίδι
- πανεπιστήμιο
- Ενημέρωση
- ενημερώσεις
- μήκη κύματος
- Τι είναι
- Wi-Fi
- ασύρματος
- εντός
- Εργασία
- αξία