Si prevede che il numero di dispositivi IoT connessi sarà pari a balzare a 125 miliardi entro il 2030. Ciò non è difficile da credere, come la spesa globale per l’IoT ha raggiunto i 745 miliardi di dollari nel 2019. In questo contesto, i progettisti elettronici sono sotto pressione per ottimizzare i progetti, soprattutto per quanto riguarda la durata della batteria.
In questo articolo, Dunstan Power, Direttore di ByteSnap Design, offre approfondimenti sulle considerazioni chiave per la progettazione di sistemi radio wireless a bassa potenza.
L'atto di bilanciamento
Ridurre il consumo energetico di un dispositivo mentre si cerca di raggiungere il livello di funzionalità desiderato è uno degli aspetti più impegnativi della progettazione a basso consumo. Ogni dispositivo wireless a bassa potenza di successo attualmente disponibile è il risultato di un atto di equilibrio riuscito, in cui gli sviluppatori hanno soppesato le loro priorità e fatto una serie di compromessi che hanno portato a un dispositivo funzionante.
Progettazione software
Le scelte di sistema effettuate all'inizio di un progetto determinano ciò che può essere ottenuto. Si consiglia di progettare fin dall'inizio per un basso consumo, con la prima considerazione che riguarda il tipo di radio da implementare. La scelta è vasta, dalle radio a corto raggio, come ZigBee, Thread, Bluetooth e Wi-Fi, alle radio a lungo raggio e a basso consumo, tra cui LoRa, SigFox e Weightless, e ai sistemi radio cellulari.
Alcune lunghezze d'onda radio si propagano molto meglio di altre, il che significa una maggiore efficienza energetica. Le frequenze più basse tendono a propagarsi meglio delle frequenze più alte, ma il compromesso è che la potenziale velocità di trasmissione dei dati è ridotta. Le frequenze più alte tendono a coprire distanze più brevi, ma hanno una larghezza di banda maggiore e velocità di trasmissione più elevate. Più lunga è la distanza che i segnali devono percorrere, più lenta è la velocità che puoi usare in generale.
Considera anche la topologia del sistema radio: se gestita correttamente, questa può aumentare l'efficienza e la velocità del sistema. Le topologie a stella sono ideali quando il dispositivo master non è alimentato a batteria ed è in grado di gestire da solo il carico di rete. In alternativa, dove tutti i dispositivi sono a bassa potenza, potrebbe essere più adatta una rete mesh con più ripetitori.
La scelta del microcontrollore è solitamente semplice e un progettista avrà in genere una famiglia/produttore con cui ha familiarità. La maggior parte dei processori di piccole dimensioni oggigiorno, basati su PIC, AVR, ARM, dispone di modalità a basso consumo che possono essere utilizzate per ridurre la potenza richiesta durante il funzionamento. Si affidano a un'interruzione per svegliarli di nuovo. Molti di questi hanno anche un sistema di riattivazione rapida per mantenere l'orario al minimo e ridurre così la potenza utilizzata.
La gamma di wireless a bassa potenza significa che la scelta della batteria varia in ogni progetto. Tuttavia, quando il sistema radio richiede scariche di corrente non frequenti o la batteria deve essere ricaricabile, le opzioni sono spesso limitate rapidamente.
Le schede tecniche del produttore della batteria possono essere d'aiuto, ma la maggior parte mostrerà curve di scarica della batteria basate su un consumo di corrente costante e di solito a un assorbimento di corrente maggiore rispetto a quello utilizzato da un sistema a bassa potenza. È necessario utilizzare una certa interpolazione per capire cosa accadrà in un sistema a bassa potenza.
Inoltre, i sistemi radio come questo tendono a utilizzare una potenza minima durante il sonno e quindi richiedono grandi impulsi di corrente quando sono svegli per ricevere e trasmettere. Alcune batterie non sono adatte a questo.
Anche i fattori ambientali influiscono sulla scelta delle batterie e sul loro utilizzo. Un ambiente freddo ridurrà la tensione della batteria e la durata utile complessiva della batteria del dispositivo. Anche le alte temperature possono influire negativamente su alcune batterie.
Il processo di selezione della batteria è di conseguenza iterativo. Per trovare il miglior candidato, vale la pena provare alcuni tipi che si adattano alle specifiche. Questa tabella mostra alcune caratteristiche di alcuni tipi comuni di batterie:
Tipologia | Voltaggio della cella | Densita 'energia | Intervallo tipico della temperatura di scarico (°C) | Durata in standby | Ricaricabile? | Max corrente |
Li Ione | 3.6 | Alta | 0 - 50 | Basso | Sì | Alta |
Alcalino | 1.5 | Alta | -18 - 55 | Alta | Non | Medio |
NiMH | 1.2 | Basso | -20 - 65 | Basso | Sì | Alta |
Cella a moneta Li | 3 | Basso | -30 - 60 | Alta | No (di solito) | Basso |
LiSoCl2 | 3 | Alta | -80 - 125 | Molto alto | Non | Alta |
Una volta effettuata la scelta della batteria, è necessario determinare un punto di interruzione. Per i sistemi a bassissima potenza in generale, è richiesta particolare attenzione con i componenti le cui prestazioni cambiano con la tensione. I display LCD e i LED, ad esempio, hanno batterie che possono diminuire fino a far scomparire il contrasto o spegnere i LED. Per la migliore esperienza utente, è necessario assicurarsi che la tensione della batteria a cui si lavora sia sufficiente per mantenerla operativa.
Se il sistema richiede una tensione in ingresso (quando viene raggiunto il punto di interruzione mentre le batterie hanno ancora capacità utilizzabile, ad esempio se un sistema da 3 V nominali si interrompe a 2.5 V), potrebbe essere necessario un regolatore boost. Ci sono però dei compromessi da considerare nel fare questo:
· Su quale tensione deve essere impostato il regolatore?
· Qual è l'efficienza del regolatore e come varia con la tensione di ingresso?
· Cosa succede quando la tensione di ingresso è superiore alla tensione impostata, ovvero quando si installano nuove batterie?
· La potenza sprecata dal regolatore a causa delle inefficienze annulla eventuali guadagni di capacità?
· Un convertitore boost potrebbe utilizzare completamente la capacità della batteria scaricandola a una tensione al di sotto della quale il sistema si spegnerebbe?
Progettazione hardware
Riduci al minimo i pull-up e altri suggerimenti di progettazione
La progettazione di un sistema radio wireless a bassa potenza richiede attenzione ai dettagli che vengono facilmente ignorati nei dispositivi in cui il consumo di energia non è importante.
Con i normali sistemi alimentati dalla rete, non devi preoccuparti di elementi come la dispersione di corrente attraverso i resistori di pull-up. Nei sistemi a bassa potenza, il consumo di energia può diventare un problema. È qui che entrano in gioco alcuni compromessi:
Sintonizzare l'antenna
Anche se la portata è importante nella progettazione, ricordarsi di sintonizzare l'antenna. In tal modo, gli ingegneri possono ridurre al minimo la potenza di trasmissione necessaria per raggiungere la portata desiderata.
Reattività e tempo di veglia
Un dispositivo wireless a bassa potenza deve raggiungere rapidamente uno stato "utile". Il tempo che intercorre tra l'utente che tocca lo schermo e la risposta del sistema è il tempo in cui la retroilluminazione è accesa e assorbe energia, rallentando potenzialmente il tempo di risposta. Di solito ci sono uno o più componenti dedicati alla riattivazione del processore principale e semplicemente spegnere il dispositivo non è un metodo utile per risparmiare la carica della batteria.
Sincronizzazione
Molti dispositivi radio a bassa potenza comunicano tra loro per ricevere dati o istruzioni. Perché ciò accada, è essenziale che il destinatario sia attivo per ricevere le informazioni. Entrambe le estremità devono essere sincronizzate e rimanere sincronizzate, ma si consiglia di ridurre al minimo l'utilizzo del ricevitore richiesto per questo.
Nei sistemi in cui comunicano due dispositivi alimentati a batteria, entrambi entreranno in modalità di risparmio energetico/riposo per preservare la durata della batteria. Pertanto, non è garantito che i dati vengano trasmessi o ricevuti intatti, pertanto sono stati sviluppati vari protocolli, come il rilevamento degli errori e i riconoscimenti, per combatterlo.
Attenzione alla deriva della temperatura
Ogni dispositivo attivo nel sistema utilizza orologi di qualche tipo. Questi possono spostarsi con la temperatura, il che significa che è fondamentale notare i fattori ambientali che potrebbero portare a differenze di orario tra i dispositivi attivi. È fondamentale che la deriva venga presa in considerazione durante la progettazione del sistema in quanto può portare ad un aumento del consumo di energia della batteria.
Riduci al minimo la potenza TX
Non aumentare inutilmente la potenza di uscita oltre quanto necessario: se il collegamento radio deve raggiungere solo dieci metri, è improbabile che sia necessaria una potenza di uscita di 5 dB.
Brevi impulsi di trasmissione
Quando il trasmettitore è acceso, una radio a bassa potenza è allo stato di massima potenza. Pertanto, ha senso minimizzarlo in tempo. Ciò significa ridurre la quantità di dati trasmessi.
Per ridurre al minimo la puntualità del ricevitore, l'attenzione si concentra sulla quantità di dati da trasmettere e su cosa viene comunicato. Se il sistema deve essere costantemente attivo, il tempo del ricevitore può essere ridotto al minimo poiché il tecnico sa già che il sistema è acceso e può trasmettere in qualsiasi momento.
Aggiornamento dei sistemi radio
Esistono due modi per aggiornare un sistema radio: manualmente, che prevede l'accesso a ciascuna unità e l'aggiornamento, e via etere (OTA), in cui la radio stessa aggiorna il codice all'interno dell'unità. Gli aggiornamenti OTA sono generalmente molto più efficienti, tuttavia c'è una maggiore possibilità che qualcosa vada storto. Le casseforti sono quindi fondamentali per garantire che il sistema continui a funzionare.
Test batch
Con i dispositivi a bassa potenza alimentati a batteria, è possibile operare appena al di sotto del limite delle prestazioni del componente. Con dispositivi attivi come i FET, in cui si fa affidamento su una bassa caduta di tensione, ci sarà sempre una differenza nelle caratteristiche del dispositivo che potrebbe influire sulle prestazioni.
Il test in batch è utile per garantire che qualsiasi variazione non comprometta il funzionamento del dispositivo. Per evitare problemi durante la produzione di massa, vale la pena simulare alcuni degli aspetti di progettazione più semplici utilizzando un simulatore SPICE, come temperature e tensioni estreme.
E ricorda: l'esperienza e le aspettative dell'utente sono considerazioni fondamentali. Un ingegnere potrebbe progettare un sistema a potenza incredibilmente bassa che non soddisfa l'utente finale perché potrebbe aspettarsi che risponda molto più velocemente di quanto non faccia effettivamente. È qui che avviene davvero l'atto di bilanciamento, ma con le tecnologie disponibili e gli ingegneri esperti, sono possibili compromessi.
(Fotografato da Mike Baumeister on Unsplash)
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Fonte: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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