Yhdistettyjen IoT-laitteiden määrän ennustetaan olevan hypätä 125 miljardiin vuoteen 2030 mennessä. Tätä ei ole vaikea uskoa, koska globaalit IoT-menot saavutti 745 miljardia dollaria vuonna 2019. Tätä taustaa vasten elektroniikkasuunnittelijoilla on paineita optimoida malleja erityisesti akun keston suhteen.
Tässä artikkelissa ByteSnap Designin johtaja Dunstan Power tarjoaa oivalluksia pienitehoisten langattomien radiojärjestelmien suunnittelussa.
Tasapainottava teko
Laitteen virrankulutuksen vähentäminen samalla kun yritetään saavuttaa haluttu toiminnallisuustaso, on yksi pienitehoisen suunnittelun haastavimmista näkökohdista. Jokainen tällä hetkellä saatavilla oleva onnistunut pienitehoinen langaton laite on seurausta onnistuneesta tasapainottamisesta, jossa kehittäjät ovat punnineet prioriteettinsa ja tehneet useita kompromisseja, jotka ovat johtaneet toimivaan laitteeseen.
Ohjelmistosuunnittelu
Projektin alussa tehdyt järjestelmävalinnat sanelevat, mitä voidaan saavuttaa. Suunnittelu alhaiselle teholle on suositeltavaa alusta alkaen. Ensimmäinen huomio on käytettävä radion tyyppi. Valikoima on laaja lyhyen kantaman radioista, kuten ZigBee, Thread, Bluetooth ja Wi-Fi, pitkän kantaman pienitehoisiin radioihin, mukaan lukien LoRa, SigFox ja Weightless, sekä matkapuhelinjärjestelmät.
Jotkut radioaallonpituudet etenevät paljon paremmin kuin toiset, mikä tarkoittaa tehon tehostamista. Matalat taajuudet etenevät yleensä paremmin kuin korkeammat taajuudet, mutta kompromissi on, että potentiaalista tiedonsiirtonopeutta pienennetään. Suuremmilla taajuuksilla on taipumus käydä lyhyempiä matkoja, mutta niillä on suurempi kaistanleveys ja nopeampi lähetysnopeus. Mitä pidempään matkasignaalien on kuljettava, sitä hitaampaa nopeutta voit yleensä käyttää.
Harkitse myös radiojärjestelmän topologiaa - tämä voi lisätä järjestelmän tehokkuutta ja nopeutta, kun sitä hallitaan oikein. Tähtitopologiat ovat ihanteellisia, kun isäntälaite ei ole akkukäyttöinen ja pystyy hallitsemaan verkon kuormitusta yksin. Vaihtoehtoisesti, kun kaikki laitteet ovat pienitehoisia, verkkoverkko, jossa on useita toistimia, voisi olla sopivampi.
Mikrokontrollerin valinta on yleensä suoraviivaista, ja suunnittelijalla on tyypillisesti perhe, jonka he tuntevat. Useimmilla pienillä prosessoreilla nykyään - PIC-, AVR-, ARM-pohjaisilla - on vähän virtaa -tiloja, joita voidaan käyttää käytön aikana tarvittavan tehon vähentämiseen. He luottavat keskeytykseen herättääkseen heidät uudestaan. Monissa näistä on myös nopea herätysjärjestelmä, joka pitää ajoissa mahdollisimman vähän ja vähentää siten käytettyä tehoa.
Pienitehoisten langattomien laitteiden valikoima tarkoittaa, että akun valinta vaihtelee jokaisessa projektissa. Kuitenkin, kun radiojärjestelmä vaatii harvoja virtapurkauksia tai akun on oltava ladattava, vaihtoehdot ovat usein rajoitettuja.
Akunvalmistajan tietolomakkeet voivat auttaa, mutta useimmat näyttävät akun purkautumiskäyrät, jotka perustuvat jatkuvaan virran tyhjentämiseen ja yleensä suuremmalla virrankulutuksella kuin pienitehoinen järjestelmä käyttää. Joitakin interpolaatioita on käytettävä selvittääkseen, mitä tapahtuu pienitehoisessa järjestelmässä.
Tämän tyyppisillä radiojärjestelmillä on taipumus käyttää minimaalista tehoa nukkuessaan ja vaativat sitten suuria virtapulsseja hereillä vastaanottamiseen ja lähettämiseen. Jotkut paristot eivät sovi tähän.
Ympäristötekijät vaikuttavat myös paristojen valintaan ja niiden käyttöön. Kylmä ympäristö vähentää akun jännitettä ja laitteen koko käyttöikää. Korkeat lämpötilat voivat vaikuttaa haitallisesti joihinkin paristoihin.
Akun valinta on siis iteratiivinen. Parhaan ehdokkaan löytämiseksi kannattaa kokeilla muutamia eritelmiin sopivia tyyppejä. Tämä taulukko esittelee muutamia yleisten akkutyyppien ominaisuuksia:
Tyyppi | Solun jännite | Energiatiheys | Tyypillinen purkulämpötila-alue (°C) | Käyttöikä valmiustilassa | Ladattava? | Suurin virta |
Li Ion | 3.6 | Korkea | 0 - 50 | Matala | Kyllä | Korkea |
Emäksinen | 1.5 | Korkea | -18-55 | Korkea | Ei | Keskikokoinen |
NiMH | 1.2 | Matala | -20-65 | Matala | Kyllä | Korkea |
Li Coin Cell | 3 | Matala | -30-60 | Korkea | Ei (yleensä) | Matala |
LiSoCl2 | 3 | Korkea | -80-125 | Erittäin korkea | Ei | Korkea |
Kun paristo on valittu, on määritettävä raja-arvo. Yleensä erittäin pienitehoisissa järjestelmissä on noudatettava erityistä varovaisuutta niiden komponenttien suhteen, joiden suorituskyky muuttuu jännitteen mukaan. Esimerkiksi LCD-näytöissä ja LEDeissä on paristoja, jotka voivat laskea niin pitkälle, että kontrasti katoaa tai LEDit sammuvat. Parhaan käyttökokemuksen varmistamiseksi sinun on varmistettava, että käyttämäsi akun jännite on riittävä pitämään ne toiminnassa.
Jos järjestelmä vaatii syöttöjännitteen (kun katkaisupiste saavutetaan, kun akuissa on vielä käyttökelpoista kapasiteettia – esim. jos nimellinen 3 V järjestelmä katkaisee 2.5 V:n jännitteellä), tehostuksen säädin saattaa olla tarpeen. Tässä on kuitenkin harkittava kompromisseja:
· Mille jännitteelle säädin tulee asettaa?
· Mikä on säätimen tehokkuus ja miten se vaihtelee tulojännitteen mukaan?
· Mitä tapahtuu, kun tulojännite on suurempi kuin asetettu jännite, eli kun uudet paristot asennetaan?
· Kumoaako tehottomuuden vuoksi säätimen hukkaama teho kapasiteetin lisäykset?
· Voiko tehostusmuunnin hyödyntää akun kapasiteetin täysin tyhjentämällä sen jännitteeseen, jonka alapuolella järjestelmä sammuu?
Laitteistosuunnittelu
Minimoi pull-upit ja muut suunnitteluvinkit
Pienitehoinen langaton radiojärjestelmä edellyttää huomiota yksityiskohtiin, jotka voidaan ohittaa helposti laitteissa, joissa virrankulutus on merkityksetöntä.
Normaaleissa verkkovirralla toimivissa järjestelmissä sinun ei tarvitse huolehtia sellaisista elementeistä kuin virtavuodot vetovastusten kautta. Pienitehoisissa järjestelmissä siitä virrankulutuksesta voi tulla ongelma. Siellä syntyy joitain kompromisseja:
Viritä antenni
Vaikka kantama onkin suunnittelussa tärkeä, muista virittää antenni. Tällöin insinöörit voivat minimoida halutun alueen saavuttamiseksi tarvittavan lähetystehon.
Reagointikyky ja herätysaika
Pienitehoisen langattoman laitteen on saavutettava 'hyödyllinen' tila nopeasti. Aika käyttäjän koskettamisen ja näytön vastaamisen välillä on aika, jolloin taustavalo palaa ja vetää virtaa, mikä saattaa hidastaa vasteaikaa. Pääprosessorin herättämiseen on yleensä yksi tai useampi komponentti, eikä laitteen yksinkertainen sammuttaminen ole hyödyllinen tapa säästää akkua.
tahdistus
Monet pienitehoiset radiolaitteet kommunikoivat keskenään saadakseen tietoja tai ohjeita. Jotta tämä tapahtuisi, on välttämätöntä, että vastaanotin on päällä vastaanottamaan tietoja. Molempien päiden on oltava synkronoituja ja pysyttävä synkronoituina, mutta suosittelemme tähän tarvittavan vastaanottimen käytön minimoimista.
Järjestelmissä, joissa kaksi akkukäyttöistä laitetta ovat yhteydessä toisiinsa, molemmat siirtyvät vähän virtaa / lepotilaan akun keston säilyttämiseksi. Joten datan ei voida taata saavansa tai vastaanottamansa vahingoittumattomana, joten tämän torjumiseksi on kehitetty erilaisia protokollia, kuten virheiden havaitseminen ja kuittaukset.
Varo lämpötilan poikkeamaa
Jokainen järjestelmän aktiivinen laite käyttää jonkinlaisia kelloja. Ne voivat ajautua lämpötilan mukana, mikä tarkoittaa, että on tärkeää huomata ympäristötekijät, jotka voivat johtaa aikaeroihin aktiivisten laitteiden välillä. On ehdottoman tärkeää, että ajautuminen otetaan huomioon järjestelmää suunniteltaessa, koska se voi lisätä akun virrankulutusta.
Minimoi lähetysteho
Älä lisää tarpeettomasti lähtötehoa yli tarvittavan - jos radiolinkin on oltava vain kymmenen metriä, tuskin tarvitaan 5dB: n lähtötehoa.
Lyhyet lähetyspulssit
Kun lähetin on päällä, pienitehoinen radio on maksimitehossaan. Siksi on järkevää minimoida se ajoissa. Tämä tarkoittaa lähetettävän datan määrän vähentämistä.
Vastaanottimen ajoissa minimoimiseksi keskitytään lähetettävän datan määrään ja siihen, minkä kanssa viestitään. Jos järjestelmän on oltava jatkuvasti päällä, vastaanottimen n aika voidaan minimoida, koska insinööri tietää jo, että järjestelmä on päällä ja voi lähettää milloin tahansa.
Radiojärjestelmien päivitys
Radiojärjestelmää on mahdollista päivittää kahdella tavalla: manuaalisesti, joka sisältää kuhunkin yksikköön menemisen ja päivittämisen, ja langattomasti (OTA), jossa radio itse päivittää koodin yksikössä. OTA-päivitykset ovat yleensä paljon tehokkaampia, mutta on todennäköisempää, että jotain menee pieleen. Epäonnistuneet kassakaapit ovat siksi elintärkeitä järjestelmän toiminnan jatkumiselle.
Erätestaus
Paristokäyttöisillä pienitehoisilla laitteilla voit toimia komponentin suorituskyvyn rajoissa. Aktiivisissa laitteissa, kuten FET-laitteissa, joissa luotat pieneen jännitehäviöön, laitteen ominaisuuksissa on aina eroja, jotka voivat vaikuttaa suorituskykyyn.
Erätestaus kannattaa varmistaa, että kaikki muutokset eivät vaaranna laitteen toimintaa. Jotta vältetään kivut massatuotannon aikana, kannattaa simuloida joitain yksinkertaisempia suunnittelunäkökohtia SPICE-simulaattorilla, kuten lämpötilan ja jännitteen ääripäät.
Ja muista - käyttökokemus ja odotukset ovat elintärkeitä näkökohtia. Insinööri voisi suunnitella fantastisen pienitehoisen järjestelmän, joka ei tyydytä loppukäyttäjää, koska he saattavat odottaa sen vastaavan paljon nopeammin kuin se todella tekee. Täällä tasapainotus todella tapahtuu, mutta käytettävissä olevien tekniikoiden ja kokeneiden insinöörien avulla kompromissit ovat mahdollisia.
(Kuva: Mike Baumeister on Unsplash)
Haluatko tietää enemmän johtajilta ja ajattelijoilta tässä tilassa? Selvitä lisää Digitaalinen kaksoismaailma 8.-9. syyskuuta 2021 järjestettävä tapahtuma, jossa tutkitaan liiketoiminnan tulosten syventämistä ja hyötyviä aloja.
Lähde: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Tili
- aktiivinen
- Kaikki
- antenni
- artikkeli
- akut
- akku
- PARAS
- Miljardi
- Bluetooth
- hallitus
- liiketoiminta
- Cambridge
- Koko
- asiakkaat
- koodi
- Kolikko
- Yhteinen
- kulutus
- jatkaa
- Nykyinen
- tiedot
- Malli
- Suunnittelija
- Detection
- kehittäjille
- Laitteet
- Johtaja
- etäisyys
- Pudota
- tehokkuus
- Elektroniikka
- päättyy
- insinööri
- Tekniikka
- Engineers
- ympäristö
- ympäristön
- tapahtuma
- johtajat
- FAST
- Kuva
- Etunimi
- sovittaa
- Keskittää
- FPGA
- general
- Global
- Korkea
- Miten
- HTTPS
- Mukaan lukien
- Kasvaa
- teollisuuden
- teollisuus
- tiedot
- oivalluksia
- Esineiden internet
- ei laitteita
- IT
- avain
- suuri
- johtaa
- Taso
- rajallinen
- LINK
- kuormitus
- Valmistaja
- Mesh-verkko
- verkko
- Tarjoukset
- toiminta
- Vaihtoehdot
- tilata
- Muut
- Muuta
- suorituskyky
- teho
- paine
- tuotanto
- projekti
- radio
- alue
- vähentää
- vastaus
- tallentaa
- Näytön
- tunne
- Sarjat
- setti
- Lyhyt
- simulaattori
- hidastaa
- pieni
- So
- Tila
- nopeus
- menot
- Osavaltio
- pysyä
- onnistunut
- tuki
- Vaihtaa
- järjestelmä
- järjestelmät
- Technologies
- Testaus
- aika
- matkustaa
- yliopisto
- Päivitykset
- Päivitykset
- aallonpituudet
- Mikä on
- Wi-fi
- langaton
- sisällä
- Referenssit
- arvoinen