Le nombre d’appareils IoT connectés devrait passer à 125 milliards d’ici 2030. Ce n’est pas difficile à croire, car les dépenses mondiales en matière d’IoT atteint 745 milliards de dollars en 2019. Dans ce contexte, les concepteurs électroniques sont sous pression pour optimiser leurs conceptions, notamment en ce qui concerne la durée de vie des batteries.
Dans cet article, Dunstan Power, directeur de ByteSnap Design, offre un aperçu des considérations clés pour la conception de systèmes radio sans fil à faible consommation.
L'acte d'équilibrage
Réduire la consommation électrique d'un appareil tout en essayant d'atteindre le niveau de fonctionnalité souhaité est l'un des aspects les plus difficiles de la conception à faible consommation d'énergie. Chaque appareil sans fil à faible consommation actuellement disponible est le résultat d'un exercice d'équilibre réussi, où les développeurs ont pesé leurs priorités et fait une série de compromis qui ont abouti à un appareil fonctionnel.
Conception de logiciels
Les choix système faits au début d'un projet dictent ce qui peut être réalisé. Il est recommandé dès le départ de concevoir pour une faible puissance, la première considération étant le type de radio à déployer. Le choix est vaste, depuis les radios à courte portée, comme ZigBee, Thread, Bluetooth et Wi-Fi, jusqu'aux radios longue portée à faible puissance, notamment LoRa, SigFox et Weightless, et aux systèmes de radio cellulaire.
Certaines longueurs d'onde radio se propagent beaucoup mieux que d'autres, ce qui signifie une efficacité énergétique accrue. Les fréquences plus basses ont tendance à mieux se propager que les fréquences plus élevées, mais le compromis est que le débit de données potentiel est réduit. Les fréquences plus élevées ont tendance à couvrir des distances plus courtes, mais ont une bande passante plus élevée et des vitesses de transmission plus rapides. Plus les signaux de distance doivent parcourir de longues distances, plus la vitesse que vous pouvez utiliser est généralement lente.
Tenez également compte de la topologie du système radio - cela peut augmenter l'efficacité et la vitesse du système lorsqu'il est géré correctement. Les topologies en étoile sont idéales lorsque l'appareil maître n'est pas alimenté par batterie et est capable de gérer seul la charge du réseau. Alternativement, lorsque tous les appareils sont de faible puissance, un réseau maillé avec plusieurs répéteurs pourrait être plus approprié.
Le choix du microcontrôleur est généralement simple et un concepteur aura généralement une famille/un fabricant avec lequel il est familier. La plupart des petits processeurs de nos jours – basés sur PIC, AVR, ARM – ont des modes de faible consommation qui peuvent être utilisés pour réduire la puissance requise pendant le fonctionnement. Ils comptent sur une interruption pour les réveiller à nouveau. Beaucoup d'entre eux disposent également d'un système de réveil rapide pour rester à l'heure au minimum et ainsi réduire la puissance utilisée.
La gamme de solutions sans fil à faible consommation signifie que le choix de la batterie varie selon chaque projet. Cependant, lorsque le système radio nécessite des rafales de courant peu fréquentes ou que la batterie doit être rechargeable, les options sont souvent rapidement limitées.
Les fiches techniques des fabricants de batteries peuvent aider, mais la plupart montreront des courbes de décharge de batterie basées sur une consommation de courant constante, et généralement à une consommation de courant plus élevée que celle utilisée par un système à faible puissance. Une certaine interpolation doit être utilisée pour comprendre ce qui se passera dans un système à faible puissance.
De plus, les systèmes radio comme celui-ci ont tendance à utiliser une puissance minimale pendant le sommeil et nécessitent ensuite de grandes impulsions de courant lorsqu'ils sont éveillés pour recevoir et émettre. Certaines batteries ne sont pas adaptées à cela.
Les facteurs environnementaux affectent également le choix des batteries et leur utilisation. Un environnement froid réduira la tension d'une batterie et la durée de vie utile globale de la batterie de l'appareil. Des températures élevées peuvent également nuire à certaines batteries.
Le processus de sélection de la batterie est par conséquent itératif. Pour trouver le meilleur candidat, il vaut la peine de tester quelques types qui correspondent aux spécifications. Ce tableau présente quelques caractéristiques de certains types de batteries courants :
Type | Tension de cellule | Densité d'énergie | Plage de température de décharge typique (°C) | Durée de vie en veille | Rechargeable ? | Max actuel |
Li Ion | 3.6 | Haute | 0 – 50 | Faible | Oui | Haute |
Alcalin | 1.5 | Haute | -18 - 55 | Haute | Non | Moyenne |
NiMH | 1.2 | Faible | -20 - 65 | Faible | Oui | Haute |
Pile bouton Li | 3 | Faible | -30 - 60 | Haute | Non (généralement) | Faible |
LiSoCl2 | 3 | Haute | -80 - 125 | Très haut | Non | Haute |
Une fois le choix de la batterie fait, un point de coupure doit être déterminé. Pour les systèmes à très faible consommation en général, une prudence supplémentaire est requise avec les composants dont les performances changent avec la tension. Les écrans LCD et les LED, par exemple, ont des batteries qui peuvent diminuer jusqu'à ce que le contraste disparaisse ou que les LED s'éteignent. Pour la meilleure expérience utilisateur, vous devez vous assurer que la tension de la batterie à laquelle vous travaillez est suffisante pour les maintenir opérationnelles.
Si le système nécessite une tension d'entrée (lorsque le point de coupure est atteint alors que les batteries ont encore de la capacité utilisable – par exemple si un système nominal de 3 V coupe à 2.5 V), un régulateur élévateur peut être nécessaire. Il y a cependant des compromis à considérer:
· Sur quelle tension le régulateur doit-il être réglé ?
· Quelle est l'efficacité du régulateur et comment varie-t-elle en fonction de la tension d'entrée ?
· Que se passe-t-il lorsque la tension d'entrée est supérieure à la tension réglée, c'est-à-dire lorsque de nouvelles piles sont installées ?
· L'énergie gaspillée par le régulateur en raison d'inefficacités annule-t-elle les gains de capacité ?
· Un convertisseur élévateur pourrait-il utiliser pleinement la capacité de la batterie en la drainant jusqu'à une tension en dessous de laquelle le système s'éteindrait ?
Conception de matériel
Minimisez les tractions et autres astuces de conception
La conception d'un système radio sans fil à faible puissance nécessite une attention particulière aux détails qui sont facilement ignorés dans les appareils où la consommation d'énergie n'est pas importante.
Avec les systèmes normaux alimentés sur secteur, vous n'avez pas à vous soucier d'éléments tels que les fuites de courant à travers les résistances de rappel. Dans les systèmes à faible consommation d'énergie, cette consommation d'énergie peut devenir un problème. C'est là qu'interviennent certains des compromis :
Régler l'antenne
Même si la portée est importante dans la conception, n'oubliez pas de régler l'antenne. Ce faisant, les ingénieurs peuvent minimiser la puissance de transmission nécessaire pour atteindre la plage souhaitée.
Réactivité et temps de réveil
Un appareil sans fil à faible consommation doit atteindre rapidement un état « utile ». Le temps entre l'utilisateur touchant l'écran et la réponse du système est le temps où votre rétroéclairage est allumé et consomme de l'énergie, ce qui ralentit potentiellement le temps de réponse. Il y a généralement un ou plusieurs composants dédiés au réveil du processeur principal et le simple fait d'éteindre l'appareil n'est pas une méthode utile pour économiser l'énergie de la batterie.
synchronisation
De nombreux appareils radio de faible puissance communiquent entre eux pour recevoir des données ou des instructions. Pour que cela se produise, il est essentiel que le récepteur soit allumé pour recevoir les informations. Les deux extrémités doivent être synchronisées et rester synchronisées, mais nous vous recommandons de minimiser l'utilisation du récepteur requise pour cela.
Dans les systèmes où deux appareils alimentés par batterie communiquent, les deux entreront en mode faible consommation/veille pour préserver la durée de vie de la batterie. Ainsi, il n'est pas garanti que les données soient transmises ou reçues sans corruption, c'est pourquoi divers protocoles, tels que la détection d'erreurs et les accusés de réception, ont été développés pour lutter contre cela.
Attention dérive de température
Chaque périphérique actif du système utilise des horloges de quelque sorte. Ceux-ci peuvent dériver avec la température, ce qui signifie qu'il est essentiel de noter les facteurs environnementaux qui pourraient entraîner des différences de temps entre les appareils actifs. Il est essentiel que la dérive soit prise en compte lors de la conception du système car elle peut entraîner une augmentation de la consommation d'énergie de la batterie.
Minimiser la puissance TX
N'augmentez pas inutilement la puissance de sortie au-delà de ce qui est nécessaire - si la liaison radio ne doit atteindre que dix mètres, une puissance de sortie de 5 dB ne sera probablement pas nécessaire.
Courtes impulsions d'émission
Lorsque l'émetteur est allumé, une radio de faible puissance est à son état de puissance maximale. Par conséquent, il est logique de minimiser cela à temps. Cela signifie réduire la quantité de données transmises.
Pour minimiser le temps de réception du récepteur, l'accent est mis sur la quantité de données à transmettre et sur le contenu de la communication. Si le système doit être allumé en permanence, le temps de réception peut alors être minimisé car l'ingénieur sait déjà que le système est allumé et peut transmettre à tout moment.
Mise à jour des systèmes radio
Il existe deux manières de mettre à jour un système radio : manuellement, ce qui implique d'entrer dans chaque unité et de la mettre à jour, et par voie hertzienne (OTA), où la radio elle-même met à jour le code dans l'unité. Les mises à jour OTA sont généralement beaucoup plus efficaces, mais il y a un risque accru que quelque chose se passe mal. Les coffres-forts sont donc essentiels pour garantir que le système continuera à fonctionner.
Test par lots
Avec des appareils à faible consommation fonctionnant sur batterie, vous pouvez fonctionner juste en dessous de la limite des performances du composant. Avec les appareils actifs tels que les FET, pour lesquels vous comptez sur une faible chute de tension, il y aura toujours une différence dans les caractéristiques des appareils qui peut affecter les performances.
Les tests par lots valent la peine pour s'assurer que toute variation ne compromettra pas le fonctionnement de l'appareil. Afin d'éviter les douleurs lors de la production en série, il vaut la peine de simuler certains des aspects de conception les plus simples à l'aide d'un simulateur SPICE, comme les températures et les tensions extrêmes.
Et n'oubliez pas que l'expérience et les attentes des utilisateurs sont des considérations vitales. Un ingénieur pourrait concevoir un système à faible consommation d'énergie qui ne satisfera pas l'utilisateur final, car il peut s'attendre à ce qu'il réponde beaucoup plus rapidement qu'il ne le fait réellement. C'est là que l'équilibre se produit vraiment, mais avec les technologies disponibles et les ingénieurs expérimentés, des compromis sont possibles.
(Photo par Mike Baumeister on Unsplash)
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Source : https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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