מספר מכשירי ה-IoT המחוברים צפוי להיות לקפוץ ל-125 מיליארד עד 2030. זה לא קשה להאמין, כמו הוצאות IoT גלובליות הגיע לשני מיליארד דולר בשנת 745. על רקע זה, מעצבי אלקטרוניקה נמצאים בלחץ לייעל עיצובים במיוחד בכל הנוגע לחיי סוללה.
במאמר זה, Dunstan Power, מנהל ByteSnap Design, מציע תובנות לגבי שיקולים מרכזיים לתכנון מערכות רדיו אלחוטיות בעלות צריכת חשמל נמוכה.
פעולת האיזון
הפחתת צריכת החשמל של מכשיר תוך ניסיון להשיג את רמת הפונקציונליות הרצויה היא אחד ההיבטים המאתגרים ביותר בתכנון הספק נמוך. כל מכשיר אלחוטי מצליח הספק נמוך כיום, הוא תוצאה של מעשה איזון מוצלח, שבו המפתחים שקלו את סדר העדיפויות שלהם וביצעו סדרה של פשרות שהביאו למכשיר מתפקד.
עיצוב תוכנה
בחירות המערכת שנעשות בתחילת פרויקט מכתיבות מה ניתן להשיג. מומלץ לתכנן עבור הספק נמוך מלכתחילה, כאשר השיקול הראשון הוא סוג הרדיו שיש לפרוס. הבחירה היא עצומה, החל ממכשירי רדיו לטווח קצר, כמו ZigBee, Thread, Bluetooth ו-Wi-Fi ועד לרדיו בעוצמה נמוכה לטווח ארוך, כולל LoRa, SigFox ו-Weightless, ומערכות רדיו סלולריות.
ישנם אורכי גל רדיו המתפשטים הרבה יותר טוב מאחרים, כלומר יעילות הספק מוגברת. תדרים נמוכים נוטים להתפשט טוב יותר מתדרים גבוהים יותר, אך הפשרה היא שקצב הנתונים הפוטנציאלי מצטמצם. תדרים גבוהים נוטים לכסות מרחקים קצרים יותר, אך הם בעלי רוחב פס גבוה יותר ומהירויות העברה מהירות יותר. ככל שאותות המרחק זקוקים לנסיעה, כך המהירות שבה תוכלו להשתמש בדרך כלל נמוכה יותר.
שקול גם את הטופולוגיה של מערכת הרדיו - זה יכול להגביר את היעילות ואת המהירות של המערכת כאשר היא מנוהלת כראוי. טופולוגיות כוכבים אידיאליות כאשר מכשיר הראשי אינו מופעל באמצעות סוללה ומסוגל לנהל את עומס הרשת לבדו. לחלופין, כאשר כל המכשירים הם בעלי צריכת חשמל נמוכה, רשת רשת עם מספר חוזרים יכולה להיות מתאימה יותר.
הבחירה במיקרו-בקר היא בדרך כלל פשוטה ולמעצב תהיה בדרך כלל משפחה / יצרן שהם מכירים. לרוב המעבדים הקטנים בימינו - PIC-, AVR-, ו- ARM - מצבי הספק נמוכים שניתן להשתמש בהם להפחתת ההספק הנדרש במהלך הפעולה. הם מסתמכים על הפרעה כדי להעיר אותם שוב. לרבים מאלה יש גם מערכת התעוררות מהירה כדי להקטין את הזמן למינימום ובכך להפחית את ההספק המנוצל.
טווח האלחוטי עם צריכת חשמל נמוכה פירושו שבחירת הסוללה משתנה בכל פרויקט. עם זאת, כאשר מערכת הרדיו דורשת פרצי זרם נדירים, או שהסוללה צריכה להיות נטענת, לרוב האפשרויות מוגבלות במהירות.
גליונות נתונים של יצרן הסוללות יכולים לעזור, אך ברובם יופיעו עקומות פריקת סוללות המבוססות על ניקוז זרם קבוע, ובדרך כלל במשיכת זרם גבוהה יותר מזו שתשתמש במערכת הספק נמוך. יש להשתמש באינטרפולציה כלשהי כדי להבין מה יקרה במערכת צריכת חשמל נמוכה.
כמו כן, מערכות רדיו כאלה נוטות להשתמש בכוח מינימלי בזמן השינה ואז דורשות דופקים גדולים של זרם כאשר הם ערים לקבלה ולהעברה. חלק מהסוללות אינן מתאימות לכך.
גורמים סביבתיים משפיעים גם על בחירת הסוללה ועל השימוש בהם. סביבה קרה תפחית את מתח הסוללה ואת חיי הסוללה השימושיים הכוללים של המכשיר. טמפרטורות גבוהות יכולות גם להשפיע לרעה על כמה סוללות.
תהליך בחירת הסוללה הוא איטרטיבי. כדי למצוא את המועמד הטוב ביותר, כדאי לנסות כמה סוגים שמתאימים למפרט. טבלה זו מציגה כמה מאפיינים של כמה סוגי סוללות נפוצים:
סוּג | מתח תא | צפיפות אנרגיה | טווח טמפרטורת פריקה טיפוסי (°C) | המתנה לכל החיים | נטענת? | מקס הנוכחי |
לי יון | 3.6 | גָבוֹהַ | 0 - 50 | נמוך | יש | גָבוֹהַ |
בסיסי | 1.5 | גָבוֹהַ | -18 - 55 | גָבוֹהַ | לא | בינוני |
NiMH | 1.2 | נמוך | -20 - 65 | נמוך | יש | גָבוֹהַ |
תא מטבעות לי | 3 | נמוך | -30 - 60 | גָבוֹהַ | לא (בדרך כלל) | נמוך |
LiSoCl2 | 3 | גָבוֹהַ | -80 - 125 | גבוה מאוד | לא | גָבוֹהַ |
לאחר בחירת הסוללה, יש לקבוע נקודת חיתוך. למערכות צריכת חשמל נמוכות במיוחד באופן כללי, נדרשת זהירות נוספת ברכיבים שביצועיהם משתנים במתח. בתצוגות LCD ובנור LED, למשל, יש סוללות שיכולות לרדת עד כדי כך שהניגודיות תיעלם או שהנורות כבו. לקבלת חוויית המשתמש הטובה ביותר, עליכם לוודא שמתח הסוללה שאתם עובדים עליו מספיק כדי לשמור על פעולות אלה.
אם המערכת דורשת מתח כניסה (כאשר נקודת הניתוק הושגה כשעדיין נותרה לסוללות קיבולת שמישה - למשל אם מערכת 3V נומינלית מנותקת ב-2.5V), ייתכן שיהיה צורך בווסת חיזוק. עם זאת, ישנן פשרות שיש לקחת בחשבון בביצוע פעולה זו:
· לאיזה מתח צריך להגדיר את הרגולטור?
· מהי היעילות של הרגולטור וכיצד היא משתנה בהתאם למתח הכניסה?
· מה קורה כאשר מתח הכניסה גבוה מהמתח שנקבע, כלומר כאשר מותקנות סוללות חדשות?
· האם הכוח שבוזבז על ידי הרגולטור עקב חוסר יעילות מבטל את העלייה בקיבולת?
· האם ממיר דחיפה יכול לנצל את קיבולת הסוללה במלואה על ידי ניקוזה למתח שמתחתיו המערכת תכבה?
עיצוב חומרה
מזעור משיכות משיכה וטיפים אחרים לעיצוב
תכנון מערכת רדיו אלחוטי עם צריכת חשמל נמוכה דורש התייחסות לפרטים שמתעלמים מהם בקלות במכשירים בהם צריכת החשמל אינה חשובה.
במערכות רגילות ומופעלות על ידי חשמל, אינך צריך לדאוג לאלמנטים כגון דליפה שוטפת דרך נגדי משיכה. במערכות צריכת חשמל נמוכה, צריכת חשמל זו יכולה להוות בעיה. שם נכנסות חלק מהפשרות:
כוון את האנטנה
גם אם הטווח חשוב בעיצוב, זכור לכוון את האנטנה. בכך, מהנדסים יכולים למזער את כוח השידור הדרוש להשגת הטווח הרצוי.
היענות וזמן הערות
התקן אלחוטי בעל הספק נמוך חייב להגיע למצב 'שימושי' במהירות. הזמן שבין המשתמש נגע במסך למערכת התגובה הוא הזמן שבו התאורה האחורית שלך דולקת ומפיק כוח, מה שעלול להאט את זמן התגובה. בדרך כלל ישנם רכיבים אחד או יותר המוקדשים להעיר את המעבד הראשי ופשוט כיבוי המכשיר אינו שיטה שימושית לחיסכון בסוללה.
סנכרון
מכשירי רדיו בעלי צריכת חשמל נמוכה רבים מתקשרים ביניהם כדי לקבל נתונים או הוראות. כדי שזה יקרה, חיוני שהמקלט יעמוד לקבל את המידע. יש לסנכרן את שני הקצוות ולהישאר מסונכרנים, אך אנו ממליצים למזער את השימוש במקלט הנדרש לשם כך.
במערכות שבהן שני התקנים המופעלים על ידי סוללה מתקשרים, שניהם יכנסו למצבי צריכת חשמל נמוכים / שינה כדי לשמור על חיי הסוללה. לכן, לא מובטח כי נתונים יעבור או יתקבלו ללא פגום, ולכן פרוטוקולים שונים, כמו זיהוי שגיאות והודאות, פותחו כדי להילחם בכך.
היזהר מסחף הטמפרטורה
כל מכשיר פעיל במערכת משתמש בשעונים מסוג כלשהו. אלה יכולים להיסחף עם הטמפרטורה, כלומר חשוב לציין גורמים סביבתיים העלולים להוביל להבדלי זמן בין מכשירים פעילים. חיוני שיש לקחת בחשבון סחיפה בעת תכנון המערכת מכיוון שהיא עלולה להוביל לעלייה בצריכת הסוללה.
מזעור הספק TX
אל תגבירו את כוח ההספק ללא צורך מעבר למה שצריך - אם קישור הרדיו צריך להגיע רק לעשרה מטרים, סביר להניח שלא יהיה צורך בהספק פלט של 5dB.
פולסים משדרים קצרים
כאשר המשדר פועל, רדיו בעל הספק נמוך נמצא במצב ההספק המרבי שלו. לכן, זה הגיוני למזער את זה בזמן. המשמעות היא צמצום כמות הנתונים המועברת.
כדי למזער את המקלט בזמן, ההתמקדות היא בכמות הנתונים שיש להעביר ובמה מתקשרים איתו. אם המערכת צריכה להיות מופעלת כל הזמן, ניתן למזער את זמן המקלט מכיוון שהמהנדס כבר יודע שהמערכת מופעלת ויכול לשדר בכל עת.
עדכון מערכות רדיו
ישנן שתי דרכים לעדכן מערכת רדיו: באופן ידני, הכולל כניסה לכל יחידה ועדכון, ובאוויר (OTA), שם הרדיו עצמו מעדכן את הקוד בתוך היחידה. עדכוני OTA בדרך כלל יעילים הרבה יותר, אולם יש סיכוי מוגבר שמשהו ישתבש. לכן כספות כשל הן חיוניות להבטחת שהמערכת תמשיך לעבוד.
בדיקת אצווה
במכשירים בעלי צריכת חשמל נמוכה המופעלים באמצעות סוללה, אתה יכול לפעול ממש מתחת למגבלת ביצועי הרכיב. במכשירים פעילים כגון FET, בהם אתה מסתמך על ירידה במתח נמוך, תמיד יהיה הבדל במאפייני ההתקן אשר עשוי להשפיע על הביצועים.
כדאי לבדוק בדיקות אצווה בכדי להבטיח שכל וריאציה לא תפגע בתפעול המכשיר. על מנת להימנע מכאבים במהלך ייצור המוני, כדאי לדמות כמה מהיבטי העיצוב הפשוטים יותר באמצעות סימולטור SPICE, כמו קיצוניות טמפרטורה ומתח.
וזכרו - חווית משתמש וציפיות הם שיקולים חיוניים. מהנדס יכול לתכנן מערכת הספק נמוכה להפליא שאינה מספקת את משתמש הקצה מכיוון שהם עשויים לצפות שהיא תגיב הרבה יותר מהר ממה שהיא עושה בפועל. זה המקום שבו קורה למעשה האיזון, אך עם הטכנולוגיות הזמינות והמהנדסים המנוסים, פשרות אפשריות.
(תמונה על ידי מיקה באומייסטר on Unsplash)
רוצים לדעת עוד מבכירים ומובילי מחשבה במרחב זה? למידע נוסף על עולם תאומים דיגיטלי אירוע, שיתקיים ב-8-9 בספטמבר 2021, אשר יבחן את הגדלת התוצאות העסקיות יותר לעומק ואת התעשיות שירוויחו.
מקור: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- חֶשְׁבּוֹן
- פעיל
- תעשיות
- אַנטֶנָה
- מאמר
- סוללות
- סוללה
- הטוב ביותר
- B
- Bluetooth
- לוּחַ
- עסקים
- קיימברידג'
- קיבולת
- לקוחות
- קוד
- מטבע
- Common
- צְרִיכָה
- להמשיך
- נוֹכְחִי
- נתונים
- עיצוב
- מְעַצֵב
- איתור
- מפתחים
- התקנים
- מְנַהֵל
- מרחק
- ירידה
- יְעִילוּת
- מכשירי חשמל
- מסתיים
- מהנדס
- הנדסה
- מהנדסים
- סביבה
- סביבתי
- אירוע
- כעובדים בכירים
- מהר
- תרשים
- ראשון
- מתאים
- להתמקד
- FPGA
- כללי
- גלוֹבָּלִי
- גָבוֹהַ
- איך
- HTTPS
- כולל
- להגדיל
- תעשיות
- תעשייה
- מידע
- תובנות
- IOT
- מכשירי יוט
- IT
- מפתח
- גָדוֹל
- עוֹפֶרֶת
- רמה
- מוגבל
- קשר
- לִטעוֹן
- יַצרָן
- רשת רשת
- רשת
- המיוחדות שלנו
- פועל
- אפשרויות
- להזמין
- אחר
- אחרים
- ביצועים
- כּוֹחַ
- לחץ
- הפקה
- פּרוֹיֶקט
- רדיו
- רכס
- להפחית
- תגובה
- חסכת
- מסך
- תחושה
- סדרה
- סט
- קצר
- מדמה
- מאט
- קטן
- So
- מֶרחָב
- מְהִירוּת
- הוצאה
- מדינה
- להשאר
- מוצלח
- תמיכה
- מתג
- מערכת
- מערכות
- טכנולוגיות
- בדיקות
- זמן
- נסיעות
- אוניברסיטה
- עדכון
- עדכונים
- אורכי גל
- מה
- חיבור אינטרנט אלחוטי
- אלחוטי
- בתוך
- תיק עבודות
- ראוי