Az előrejelzések szerint a csatlakoztatott IoT-eszközök száma 125-ra 2030 milliárdra ugorjon. Ezt nem nehéz elhinni, mint a globális IoT-kiadásokat elérte a 745 milliárd dollárt 2019-ben. Ilyen körülmények között az elektronikai tervezőkre nyomás nehezedik, hogy optimalizálják a terveket, különösen az akkumulátor élettartamát illetően.
Ebben a cikkben a Dunstan Power, a ByteSnap Design igazgatója betekintést nyújt az alacsony fogyasztású vezeték nélküli rádiórendszerek tervezésének legfontosabb szempontjaiba.
A kiegyensúlyozó cselekedet
A kis energiaigényű tervezés egyik legnagyobb kihívása az eszköz energiafogyasztásának csökkentése, miközben megpróbálja elérni a kívánt funkcionalitásszintet. Minden jelenleg elérhető, alacsony fogyasztású vezeték nélküli eszköz egy sikeres kiegyensúlyozási akció eredménye, ahol a fejlesztők mérlegelték prioritásaikat és számos kompromisszumot kötöttek, amelyek működőképes eszközt eredményeztek.
Szoftver tervezés
A projekt elején meghozott rendszerválasztások határozzák meg, hogy mit lehet elérni. Kezdettől fogva alacsony teljesítményű tervezést javasolunk, és az első szempont a telepítendő rádió típusa. A választék széles a rövid hatótávolságú rádióktól, mint például a ZigBee, a Thread, a Bluetooth és a Wi-Fi, a nagy hatótávolságú, alacsony fogyasztású rádiókig, beleértve a LoRa-t, a SigFox-ot és a Weightless-t, valamint a mobil rádiórendszereket.
Egyes rádióhullámok sokkal jobban terjednek, mint mások, ami növeli az energiahatékonyságot. Az alacsonyabb frekvenciák általában jobban terjednek, mint a magasabb frekvenciák, de a kompromisszum az, hogy a potenciális adatsebesség csökken. A magasabb frekvenciák általában rövidebb távolságokat tesznek meg, de nagyobb a sávszélességük és nagyobb az átviteli sebességük. Minél nagyobb távolságot kell megtenni a jeleknek, annál lassabb a sebesség, amelyet általában használhat.
Vegye figyelembe a rádiórendszer topológiáját is - ez megfelelő kezelés esetén növelheti a rendszer hatékonyságát és sebességét. A csillag topológiák ideálisak, ha a fő eszköz nem akkumulátoros, és egyedül képes kezelni a hálózati terhelést. Alternatív megoldásként, ahol az összes eszköz alacsony energiafogyasztású, megfelelőbb lehet a többszörös ismétlővel rendelkező hálós hálózat.
A mikrovezérlő megválasztása általában egyszerű, és a tervezőnek általában családja / gyártója lesz, akit ismer. A legtöbb kis processzor manapság - PIC-, AVR-, ARM-alapú - alacsony fogyasztású üzemmódokkal rendelkezik, amelyekkel csökkenthető a működés során szükséges energia. A megszakításra hagyatkoznak, hogy újra felébresszék őket. Ezek közül soknak van egy gyors ébresztési rendszere is, amely a lehető legkisebb időt képes csökkenteni, és ezzel csökkenti a felhasznált energiát.
Az alacsony fogyasztású vezeték nélküli hálózat azt jelenti, hogy az akkumulátor megválasztása projektenként változik. Ha azonban a rádiórendszer ritka áramszakadást igényel, vagy az akkumulátornak újratölthetőnek kell lennie, a lehetőségek gyakran gyorsan korlátozottak.
Az akkumulátorgyártó adatlapjai segíthetnek, de a legtöbb az akkumulátor kisütési görbéit mutatja az állandó áramfelvétel alapján, és általában nagyobb áramfelvétel mellett, mint az alacsony fogyasztású rendszer. Némi interpolációt kell használni annak kiderítésére, hogy mi fog történni egy alacsony fogyasztású rendszerben.
Az ilyen rádiórendszerek általában alvás közben is minimális energiát használnak, és ébren nagy áramimpulzusokat igényelnek a vételhez és az adáshoz. Néhány elem nem alkalmas erre.
A környezeti tényezők is befolyásolják az akkumulátor választását és használatát. Hideg környezet csökkenti az akkumulátor feszültségét és a készülék teljes hasznos élettartamát. A magas hőmérséklet egyes elemeket is hátrányosan érinthet.
Az akkumulátor kiválasztásának folyamata tehát iteratív. A legjobb jelölt megtalálásához érdemes kipróbálni néhány, a specifikációknak megfelelő típust. Ez a táblázat bemutatja néhány jellemző akkumulátor típus néhány jellemzőjét:
típus | Cellfeszültség | Energia sűrűség | Tipikus kisütési hőmérséklet tartomány (°C) | Készenléti élettartam | Újratölthető? | Max Current |
Li Ion | 3.6 | Magas | 0 - 50 | Elő/Utó | Igen | Magas |
Lúgos | 1.5 | Magas | -18 - 55 | Magas | Nem | közepes |
NiMH | 1.2 | Elő/Utó | -20 - 65 | Elő/Utó | Igen | Magas |
Li Coin Cell | 3 | Elő/Utó | -30 - 60 | Magas | nem (általában) | Elő/Utó |
LiSoCl2 | 3 | Magas | -80 - 125 | Nagyon magas | Nem | Magas |
Az elem kiválasztása után meg kell határozni a határértéket. Az ultra alacsony fogyasztású rendszerek esetében általában fokozott óvatosság szükséges azokra az alkatrészekre, amelyek teljesítménye a feszültség függvényében változik. Az LCD-kijelzőkön és a LED-eken például olyan akkumulátorok vannak, amelyek annyira lecsökkenhetnek, hogy eltűnik a kontraszt vagy a LED-ek kikapcsolnak. A legjobb felhasználói élmény érdekében meg kell győződnie arról, hogy az akkumulátor feszültsége, amellyel dolgozik, elegendő ahhoz, hogy működőképes maradjon.
Ha a rendszernek bemeneti feszültségre van szüksége (amikor eléri a lekapcsolási pontot, miközben az akkumulátoroknak még van használható kapacitása – pl. ha egy névleges 3 V-os rendszer 2.5 V-nál lekapcsol), akkor szükség lehet egy erősítő szabályozóra. Ennek során azonban meg kell fontolni a kompromisszumokat:
· Milyen feszültségre kell beállítani a szabályozót?
· Mekkora a szabályozó hatásfoka, és hogyan változik a bemeneti feszültség függvényében?
· Mi történik, ha a bemeneti feszültség magasabb, mint a beállított feszültség, azaz új elemek behelyezésekor?
· A szabályozó által a hatékonyság hiánya miatt elpazarolt teljesítmény kioltja-e a kapacitásnövekedést?
· Ki tudja-e használni a gyorsító konverter az akkumulátor kapacitását, ha olyan feszültségre meríti, amely alatt a rendszer kikapcsol?
Hardver tervezés
Minimalizálja a felhúzásokat és más tervezési tippeket
Az alacsony fogyasztású vezeték nélküli rádiórendszer olyan részletekre figyel, amelyek könnyen figyelmen kívül hagyhatók olyan készülékekben, ahol az energiafogyasztás nem fontos.
A normál, hálózatról táplált rendszereknél nem kell aggódnia olyan elemek miatt, mint például az áramszivárgás a felhúzható ellenállásokon keresztül. Kis fogyasztású rendszerekben ez az energiafogyasztás kérdéssé válhat. Itt jönnek létre a kompromisszumok egy része:
Hangolja be az antennát
Még akkor is, ha a hatótávolság fontos a tervezésnél, ne felejtse el hangolni az antennát. Ennek során a mérnökök minimalizálhatják a kívánt tartomány eléréséhez szükséges átviteli teljesítményt.
Válaszkészség és ébrenléti idő
Az alacsony fogyasztású vezeték nélküli eszköznek gyorsan el kell érnie a „hasznos” állapotot. Az az idő, amikor a felhasználó megérinti a képernyőt, és a rendszer reagál, az az idő, amikor a háttérvilágítás be van kapcsolva, és áramot merít, ami lelassíthatja a válaszidőt. Általában egy vagy több alkatrész van a fő processzor felébresztésére, és az eszköz egyszerű kikapcsolása nem hasznos módszer az akkumulátor kímélésére.
összehangolás
Számos alacsony fogyasztású rádiókészülék kommunikál egymással, hogy adatokat vagy utasításokat fogadjon. Ehhez elengedhetetlen, hogy a vevő bekapcsolt állapotban legyen az információk fogadásához. Mindkét végét szinkronizálni kell, és szinkronban kell maradni, de javasoljuk, hogy minimalizálja az ehhez szükséges vevőhasználatot.
Azokban a rendszerekben, ahol két akkumulátoros eszköz kommunikál, mindkettő alacsony energiafogyasztású / alvó üzemmódba lép, hogy megőrizze az akkumulátor élettartamát. Tehát az adatok garantálása nem garantált, és nem sérülten fogadják őket, ezért különféle protokollokat fejlesztettek ki, például a hibák észlelését és nyugtázását.
Vigyázzon a hőmérséklet-eltolódásra
A rendszer minden aktív eszköze valamilyen órát használ. Ezek elmozdulhatnak a hőmérséklettel, vagyis kulcsfontosságú megjegyezni azokat a környezeti tényezőket, amelyek időbeli eltérésekhez vezethetnek az aktív eszközök között. Alapvető fontosságú, hogy a rendszer kialakításakor figyelembe vegyék a sodródást, mivel ez növelheti az akkumulátor energiafogyasztását.
Minimalizálja a TX energiát
Ne növelje feleslegesen a szükséges kimeneti teljesítményt - ha a rádiós kapcsolatnak csak tíz métert kell elérnie, akkor valószínűleg nem lesz szükség 5dB kimeneti teljesítményre.
Rövid adási impulzusok
Amikor az adó be van kapcsolva, az alacsony fogyasztású rádió maximális teljesítmény-állapotban van. Ezért van értelme ezt időben minimalizálni. Ez azt jelenti, hogy csökkenteni kell a továbbított adatok mennyiségét.
A vevő időben történő minimalizálása érdekében a hangsúly a továbbítandó adatmennyiségen és a kommunikáción van. Ha a rendszernek folyamatosan bekapcsolt állapotban kell lennie, a vevő n ideje minimalizálható, mivel a mérnök már tudja, hogy a rendszer be van kapcsolva, és bármikor képes küldeni.
A rádiórendszerek frissítése
A rádiórendszer frissítésének két módja van: Manuálisan, amely magában foglalja az egyes egységek belépését és frissítését, valamint az éteren keresztül (OTA), ahol a rádió maga frissíti az egységen belüli kódot. Az OTA frissítések általában sokkal hatékonyabbak, azonban nagyobb az esély arra, hogy valami rosszul történjen. A meghibásodott széfek ezért létfontosságúak a rendszer működésének biztosításában.
Kötegelt tesztelés
Alacsony fogyasztású, akkumulátorral működő eszközökkel csak az alkatrész teljesítményének határa alatt működhet. Az olyan aktív eszközökkel, mint például a FET-ek, ahol alacsony feszültségesésre támaszkodnak, mindig különbség lesz az eszköz jellemzőiben, ami befolyásolhatja a teljesítményt.
A kötegelt teszteléssel érdemes megbizonyosodni arról, hogy bármilyen változás nem veszélyezteti az eszköz működését. A tömeggyártás során jelentkező fájdalmak elkerülése érdekében érdemes a SPICE szimulátor segítségével néhány egyszerűbb tervezési szempontot szimulálni, például a hőmérséklet és a feszültség szélsőségeit.
És ne feledje - a felhasználói élmény és az elvárások létfontosságú szempontok. Egy mérnök fantasztikusan alacsony fogyasztású rendszert tervezhet, amely nem elégíti ki a végfelhasználót, mert arra számíthatnak, hogy sokkal gyorsabban reagál, mint a valóságban. Itt történik meg igazán a kiegyensúlyozó cselekedet, de a rendelkezésre álló technológiákkal és tapasztalt mérnökökkel kompromisszumok lehetségesek.
(A képet készítette Mike Baumeister on Unsplash)
Szeretne többet megtudni a vezetőktől és a vezetőktől ezen a téren? Tudjon meg többet a Digitális ikervilág 8. szeptember 9–2021-én megrendezésre kerülő esemény, amely az üzleti eredmények bővítését és az abból származó iparágakat alaposabban megvizsgálja.
Forrás: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Fiók
- aktív
- Minden termék
- antenna
- cikkben
- akkumulátorok
- akkumulátor
- BEST
- Billió
- Bluetooth
- bizottság
- üzleti
- Cambridge
- Kapacitás
- ügyfél részére
- kód
- Érme
- Közös
- fogyasztás
- folytatódik
- Jelenlegi
- dátum
- Design
- Tervező
- Érzékelés
- fejlesztők
- Eszközök
- Igazgató
- távolság
- Csepp
- hatékonyság
- Elektronika
- vége
- mérnök
- Mérnöki
- Mérnökök
- Környezet
- környezeti
- esemény
- vezetők
- GYORS
- Ábra
- vezetéknév
- megfelelő
- Összpontosít
- FPGA
- általános
- Globális
- Magas
- Hogyan
- HTTPS
- Beleértve
- Növelje
- iparágak
- ipar
- információ
- meglátások
- tárgyak internete
- iot eszközök
- IT
- Kulcs
- nagy
- vezet
- szint
- Korlátozott
- LINK
- kiszámításának
- Gyártó
- Hálózat
- hálózat
- Ajánlatok
- üzemeltetési
- Opciók
- érdekében
- Más
- Egyéb
- teljesítmény
- hatalom
- nyomás
- Termelés
- program
- rádió
- hatótávolság
- csökkenteni
- válasz
- megtakarítás
- Képernyő
- értelemben
- Series of
- készlet
- rövid
- szimulátor
- lassuló
- kicsi
- So
- Hely
- sebesség
- Költési
- Állami
- tartózkodás
- sikeres
- támogatás
- kapcsoló
- rendszer
- Systems
- Technologies
- Tesztelés
- idő
- utazás
- egyetemi
- Frissítések
- Frissítés
- hullámhossz
- Mi
- Wi-fi
- drótnélküli
- belül
- Munka
- érdemes