कनेक्टेड IoT डिवाइसों की संख्या अनुमानित है 125 तक 2030 बिलियन तक पहुंचें. वैश्विक IoT खर्च के रूप में इस पर विश्वास करना कठिन नहीं है 745 में $ 2019 बिलियन तक पहुंच गया. इस पृष्ठभूमि में, इलेक्ट्रॉनिक्स डिजाइनरों पर डिज़ाइन को अनुकूलित करने का दबाव होता है, खासकर जब बैटरी जीवन की बात आती है।
इस लेख में, बाइटस्नैप डिज़ाइन के निदेशक, डंस्टन पावर, कम शक्ति वाले वायरलेस रेडियो सिस्टम को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण विचारों में अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।
संतुलन साधना
वांछित स्तर की कार्यक्षमता को प्राप्त करने का प्रयास करते हुए एक उपकरण की बिजली की खपत को कम करना कम बिजली डिजाइन के सबसे चुनौतीपूर्ण पहलुओं में से एक है। वर्तमान में उपलब्ध प्रत्येक सफल कम शक्ति वाला वायरलेस डिवाइस एक सफल संतुलन अधिनियम का परिणाम है, जहां डेवलपर्स ने अपनी प्राथमिकताओं को तौला है और कई समझौते किए हैं जिसके परिणामस्वरूप एक कार्यशील उपकरण बन गया है।
सॉफ्टवेर डिज़ाइन
किसी प्रोजेक्ट की शुरुआत में किए गए सिस्टम विकल्प यह तय करते हैं कि क्या हासिल किया जा सकता है। शुरुआत से ही कम बिजली के लिए डिज़ाइन करने की अनुशंसा की जाती है, जिसमें सबसे पहले विचार करने के लिए रेडियो के प्रकार पर विचार किया जाना चाहिए। ज़िगबी, थ्रेड, ब्लूटूथ और वाई-फाई जैसे छोटी दूरी के रेडियो से लेकर लोरा, सिगफॉक्स और वेटलेस सहित लंबी दूरी के कम पावर वाले रेडियो और सेल्युलर रेडियो सिस्टम तक विकल्प बहुत बड़ा है।
कुछ रेडियो तरंगदैर्घ्य दूसरों की तुलना में बहुत बेहतर प्रचार करते हैं, जिसका अर्थ है कि बिजली दक्षता में वृद्धि। कम आवृत्तियों का प्रसार उच्च आवृत्तियों की तुलना में बेहतर होता है, लेकिन समझौता यह है कि संभावित डेटा दर कम हो जाती है। उच्च आवृत्तियों में कम दूरी को कवर करने की प्रवृत्ति होती है, लेकिन उच्च बैंडविड्थ और तेज संचरण गति होती है। जितनी लंबी दूरी के संकेतों को यात्रा करने की आवश्यकता होती है, उतनी ही धीमी गति आप आमतौर पर उपयोग कर सकते हैं।
रेडियो सिस्टम टोपोलॉजी पर भी विचार करें - यह ठीक से प्रबंधित होने पर सिस्टम की दक्षता और गति को बढ़ा सकता है। स्टार टोपोलॉजी तब आदर्श होती है जब मास्टर डिवाइस बैटरी चालित न हो और अकेले नेटवर्क लोड को प्रबंधित करने में सक्षम हो। वैकल्पिक रूप से, जहां सभी उपकरण कम शक्ति वाले होते हैं, एकाधिक पुनरावर्तकों वाला एक जाल नेटवर्क अधिक उपयुक्त हो सकता है।
माइक्रोकंट्रोलर का चुनाव आमतौर पर सीधा होता है और एक डिजाइनर के पास आमतौर पर एक परिवार/निर्माता होता है जिससे वे परिचित होते हैं। इन दिनों अधिकांश छोटे प्रोसेसर - PIC-, AVR-, ARM- आधारित - में कम पावर मोड होते हैं जिनका उपयोग ऑपरेशन के दौरान आवश्यक शक्ति को कम करने के लिए किया जा सकता है। वे उन्हें फिर से जगाने के लिए एक रुकावट पर भरोसा करते हैं। इनमें से कई में समय पर न्यूनतम रखने के लिए फास्ट वेक-अप सिस्टम भी है और इस प्रकार उपयोग की जाने वाली शक्ति को कम करता है।
लो पावर वायरलेस की रेंज का मतलब है कि हर प्रोजेक्ट में बैटरी की पसंद अलग-अलग होती है। हालाँकि, जब रेडियो सिस्टम को करंट के बार-बार फटने की आवश्यकता होती है, या बैटरी को रिचार्जेबल होने की आवश्यकता होती है, तो विकल्प अक्सर जल्दी सीमित हो जाते हैं।
बैटरी निर्माता डेटा शीट मदद कर सकती है, लेकिन अधिकांश निरंतर चालू नाली के आधार पर बैटरी डिस्चार्ज वक्र दिखाएंगे, और आमतौर पर कम पावर सिस्टम की तुलना में उच्च वर्तमान ड्रॉ पर उपयोग करेंगे। कुछ प्रक्षेप का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया जाना चाहिए कि कम बिजली व्यवस्था में क्या होगा।
इसके अलावा, इस तरह के रेडियो सिस्टम सोते समय कम से कम बिजली का उपयोग करते हैं और फिर प्राप्त करने और संचारित करने के लिए जागते समय बड़ी दालों की आवश्यकता होती है। कुछ बैटरी इसके अनुकूल नहीं हैं।
पर्यावरणीय कारक भी बैटरी की पसंद और उनके उपयोग को प्रभावित करते हैं। एक ठंडा वातावरण बैटरी के वोल्टेज और डिवाइस के समग्र उपयोगी बैटरी जीवन को कम कर देगा। उच्च तापमान कुछ बैटरियों पर प्रतिकूल प्रभाव भी डाल सकता है।
बैटरी चयन प्रक्रिया फलस्वरूप पुनरावृत्त होती है। सर्वश्रेष्ठ उम्मीदवार को खोजने के लिए, विनिर्देशों के अनुरूप कुछ प्रकारों का परीक्षण करना उचित है। यह तालिका कुछ सामान्य बैटरी प्रकारों की कुछ विशेषताओं को प्रदर्शित करती है:
प्रकार | सेल वोल्टेज | ऊर्जा घनत्व | विशिष्ट निर्वहन तापमान रेंज (डिग्री सेल्सियस) | स्टैंडबाय लाइफटाइम | रिचार्जेबल? | मैक्स करंट |
ली आयन | 3.6 | हाई | 0 - 50 | निम्न | हाँ | हाई |
क्षारविशिष्ट | 1.5 | हाई | -18 - 55 | हाई | नहीं | मध्यम |
एनआईएमएच | 1.2 | निम्न | -20 - 65 | निम्न | हाँ | हाई |
ली सिक्का सेल | 3 | निम्न | -30 - 60 | हाई | नहीं (आमतौर पर) | निम्न |
LiSoCl2 | 3 | हाई | -80 - 125 | बहुत ऊँचा | नहीं | हाई |
एक बार बैटरी का चुनाव करने के बाद, एक कट-ऑफ बिंदु निर्धारित किया जाना चाहिए। सामान्य रूप से अल्ट्रा-लो-पावर सिस्टम के लिए, उन घटकों के साथ अतिरिक्त सावधानी की आवश्यकता होती है जिनके प्रदर्शन में वोल्टेज के साथ परिवर्तन होता है। उदाहरण के लिए, एलसीडी डिस्प्ले और एलईडी में बैटरी होती है जो इतनी कम हो सकती है कि कंट्रास्ट गायब हो जाए या एलईडी बंद हो जाए। सर्वोत्तम उपयोगकर्ता अनुभव के लिए, आपको यह सुनिश्चित करना होगा कि जिस बैटरी वोल्टेज पर आप काम कर रहे हैं वह उन चालू रखने के लिए पर्याप्त है।
यदि सिस्टम को इनपुट वोल्टेज की आवश्यकता होती है (जब कट-ऑफ बिंदु तक पहुंच जाता है जबकि बैटरी में अभी भी उपयोग करने योग्य क्षमता शेष होती है - उदाहरण के लिए यदि नाममात्र 3V सिस्टम 2.5V पर कट जाता है), तो एक बूस्ट रेगुलेटर आवश्यक हो सकता है। हालाँकि ऐसा करने में कुछ समझौतों पर विचार करना होगा:
· रेगुलेटर को किस वोल्टेज पर सेट किया जाना चाहिए?
· नियामक की दक्षता क्या है और यह इनपुट वोल्टेज के साथ कैसे बदलती है?
· क्या होता है जब इनपुट वोल्टेज निर्धारित वोल्टेज से अधिक होता है, यानी जब नई बैटरियां लगाई जाती हैं?
· क्या नियामक द्वारा अक्षमताओं के कारण बर्बाद की गई बिजली क्षमता में किसी भी लाभ को रद्द कर देती है?
· क्या एक बूस्ट कन्वर्टर बैटरी की क्षमता का पूरी तरह से उपयोग वोल्टेज को कम करके कर सकता है जिसके नीचे सिस्टम बंद हो जाएगा?
हार्डवेयर डिजाइन
पुल-अप और अन्य डिज़ाइन युक्तियों को कम करें
लो पावर वायरलेस रेडियो सिस्टम डिज़ाइन के लिए उन विवरणों पर ध्यान देने की आवश्यकता होती है जिन्हें उन उपकरणों में आसानी से अनदेखा कर दिया जाता है जहां बिजली की खपत महत्वहीन होती है।
सामान्य, मेन-पावर्ड सिस्टम के साथ, आपको पुल अप रेसिस्टर्स के माध्यम से करंट लीकेज जैसे तत्वों के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं है। कम बिजली प्रणालियों में, बिजली की खपत एक मुद्दा बन सकती है। यहीं से कुछ समझौते आते हैं:
एंटीना ट्यून करें
भले ही डिजाइन में रेंज महत्वपूर्ण हो, एंटीना को ट्यून करना याद रखें। ऐसा करने पर, इंजीनियर वांछित सीमा प्राप्त करने के लिए आवश्यक पारेषण शक्ति को कम कर सकते हैं।
जवाबदेही और जागने का समय
कम पावर वाले वायरलेस डिवाइस को तेजी से 'उपयोगी' स्थिति में पहुंचना चाहिए। उपयोगकर्ता द्वारा स्क्रीन को छूने और प्रतिक्रिया करने वाले सिस्टम के बीच का समय वह समय है जब आपकी बैकलाइट चालू होती है और शक्ति खींचती है, संभावित रूप से प्रतिक्रिया समय को धीमा कर देती है। आमतौर पर मुख्य प्रोसेसर को जगाने के लिए समर्पित एक या अधिक घटक होते हैं और बस डिवाइस को बंद करना बैटरी की शक्ति को बचाने का एक उपयोगी तरीका नहीं है।
तुल्यकालन
कई कम शक्ति वाले रेडियो उपकरण डेटा या निर्देश प्राप्त करने के लिए एक दूसरे के साथ संचार करते हैं। ऐसा होने के लिए, यह आवश्यक है कि प्राप्तकर्ता सूचना प्राप्त कर रहा हो। दोनों सिरों को सिंक्रोनाइज़ किया जाना चाहिए और सिंक्रोनाइज़ रहना चाहिए, लेकिन हम इसके लिए आवश्यक रिसीवर के उपयोग को कम करने की सलाह देते हैं।
सिस्टम में जहां दो बैटरी चालित डिवाइस संचार कर रहे हैं, दोनों बैटरी जीवन को संरक्षित करने के लिए कम पावर/स्लीप मोड में प्रवेश करेंगे। इसलिए, डेटा के माध्यम से प्राप्त करने या प्राप्त करने की गारंटी नहीं है, इसलिए विभिन्न प्रोटोकॉल, जैसे त्रुटि का पता लगाने और पावती, इसका मुकाबला करने के लिए विकसित किए गए हैं।
तापमान बहाव से सावधान रहें
सिस्टम का प्रत्येक सक्रिय उपकरण किसी न किसी प्रकार की घड़ियों का उपयोग करता है। ये तापमान के साथ बहाव कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि पर्यावरणीय कारकों पर ध्यान देना महत्वपूर्ण है जो सक्रिय उपकरणों के बीच समय के अंतर को जन्म दे सकते हैं। यह महत्वपूर्ण है कि सिस्टम को डिजाइन करते समय बहाव को ध्यान में रखा जाए क्योंकि इससे बैटरी बिजली की खपत में वृद्धि हो सकती है।
TX शक्ति को कम करें
जरूरत से ज्यादा उत्पादन शक्ति को अनावश्यक रूप से न बढ़ाएं - यदि रेडियो लिंक को केवल दस मीटर तक पहुंचना है, तो 5dB आउटपुट पावर की आवश्यकता होने की संभावना नहीं है।
लघु संचारण दालें
जब ट्रांसमीटर चालू होता है, तो कम पावर वाला रेडियो अपनी अधिकतम पावर स्थिति में होता है। इसलिए, समय पर इसे कम करना समझ में आता है। इसका मतलब है कि प्रसारित होने वाले डेटा की मात्रा को कम करना।
समय पर रिसीवर को कम करने के लिए, संचारित किए जाने वाले डेटा की मात्रा और किसके साथ संचार किया जा रहा है, इस पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। यदि सिस्टम को लगातार चालू रखने की आवश्यकता है, तो रिसीवर एन समय को कम किया जा सकता है क्योंकि इंजीनियर को पहले से ही पता है कि सिस्टम चालू है और किसी भी समय संचारित हो सकता है।
रेडियो सिस्टम 'अद्यतन'
रेडियो सिस्टम को अपडेट करने के दो तरीके हैं: मैन्युअल रूप से, जिसमें प्रत्येक यूनिट में जाना और अपडेट करना शामिल है, और ओवर द एयर (OTA), जहां रेडियो खुद यूनिट के भीतर कोड को अपडेट करता है। ओटीए अपडेट आम तौर पर बहुत अधिक कुशल होते हैं, हालांकि कुछ गलत होने की संभावना बढ़ जाती है। विफल तिजोरियां इसलिए यह सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण हैं कि सिस्टम काम करना जारी रखेगा।
बैच परीक्षण
बैटरी से चलने वाले कम पावर वाले उपकरणों के साथ, आप घटक के प्रदर्शन की सीमा के तहत ही काम कर सकते हैं। एफईटी जैसे सक्रिय उपकरणों के साथ, जहां आप कम वोल्टेज ड्रॉप पर भरोसा करते हैं, वहां हमेशा डिवाइस विशेषताओं में अंतर होगा जो प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।
बैच परीक्षण यह सुनिश्चित करने के लिए उपयुक्त है कि कोई भिन्नता डिवाइस के संचालन से समझौता नहीं करेगी। बड़े पैमाने पर उत्पादन के दौरान दर्द से बचने के लिए, स्पाइस सिम्युलेटर का उपयोग करके कुछ सरल डिजाइन पहलुओं का अनुकरण करना उचित है, जैसे तापमान और वोल्टेज चरम सीमा।
और याद रखें - उपयोगकर्ता अनुभव और अपेक्षाएं महत्वपूर्ण विचार हैं। एक इंजीनियर एक काल्पनिक रूप से कम बिजली प्रणाली तैयार कर सकता है जो अंतिम उपयोगकर्ता को संतुष्ट नहीं करता है क्योंकि वे उम्मीद कर सकते हैं कि यह वास्तव में उससे कहीं अधिक तेजी से प्रतिक्रिया देगा। यह वह जगह है जहां संतुलन अधिनियम वास्तव में होता है, लेकिन उपलब्ध प्रौद्योगिकियों और अनुभवी इंजीनियरों के साथ समझौता संभव है।
(फोटो द्वारा मिका बॉमिस्टर on Unsplash)
क्या आप इस क्षेत्र के अधिकारियों और विचारकों से और अधिक जानकारी प्राप्त करना चाहते हैं? के बारे में और अधिक जानकारी प्राप्त डिजिटल ट्विन वर्ल्ड कार्यक्रम, 8-9 सितंबर 2021 को हो रहा है, जो अधिक गहराई से व्यावसायिक परिणामों को बढ़ाने और लाभान्वित होने वाले उद्योगों का पता लगाएगा।
स्रोत: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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