Er wordt verwacht dat het aantal verbonden IoT-apparaten zal toenemen tegen 125 stijgen naar 2030 miljard. Dit is niet moeilijk te geloven, aangezien de mondiale IoT-uitgaven bereikte $ 745 miljard in 2019. Tegen deze achtergrond staan elektronica-ontwerpers onder druk om ontwerpen te optimaliseren, vooral als het gaat om de levensduur van de batterij.
In dit artikel biedt Dunstan Power, directeur van ByteSnap Design, inzicht in de belangrijkste overwegingen voor het ontwerpen van draadloze radiosystemen met een laag vermogen.
De evenwichtsoefening
Het stroomverbruik van een apparaat verminderen terwijl wordt geprobeerd het gewenste functionaliteitsniveau te bereiken, is een van de meest uitdagende aspecten van een energiezuinig ontwerp. Elk succesvol draadloos apparaat met laag vermogen dat momenteel beschikbaar is, is het resultaat van een succesvolle evenwichtsoefening, waarbij de ontwikkelaars hun prioriteiten hebben afgewogen en een reeks compromissen hebben gesloten die hebben geresulteerd in een werkend apparaat.
Software-ontwerp
Systeemkeuzes die aan het begin van een project worden gemaakt, bepalen wat er kan worden bereikt. Het wordt aanbevolen om vanaf het begin te ontwerpen voor een laag vermogen, waarbij de eerste overweging het type radio is dat moet worden ingezet. De keuze is enorm, van korteafstandsradio's, zoals ZigBee, Thread, Bluetooth en Wi-Fi, tot langeafstandsradio's met laag vermogen, waaronder LoRa, SigFox en Weightless, en mobiele radiosystemen.
Sommige radiogolflengten verspreiden zich veel beter dan andere, wat een hogere energie-efficiëntie betekent. Lagere frequenties hebben de neiging zich beter voort te planten dan hogere frequenties, maar het compromis is dat de potentiële datasnelheid wordt verlaagd. Hogere frequenties hebben de neiging om kortere afstanden af te leggen, maar hebben een hogere bandbreedte en hogere transmissiesnelheden. Hoe langer de afstand die signalen moeten afleggen, hoe langzamer de snelheid die u in het algemeen kunt gebruiken.
Houd ook rekening met de topologie van het radiosysteem - dit kan de efficiëntie en snelheid van het systeem verhogen als het goed wordt beheerd. Ster-topologieën zijn ideaal wanneer het master-apparaat niet op batterijen werkt en alleen de netwerkbelasting kan beheren. Als alle apparaten een laag stroomverbruik hebben, zou een mesh-netwerk met meerdere repeaters geschikter kunnen zijn.
De keuze van de microcontroller is meestal eenvoudig en een ontwerper heeft doorgaans een familie/fabrikant waarmee hij vertrouwd is. De meeste kleine processors van tegenwoordig – PIC-, AVR-, ARM-gebaseerd – hebben energiezuinige modi die kunnen worden gebruikt om het benodigde vermogen tijdens het gebruik te verminderen. Ze vertrouwen op een onderbreking om ze weer wakker te maken. Veel van deze hebben ook een snel weksysteem om de tijd tot een minimum te beperken en zo het stroomverbruik te verminderen.
Het bereik van draadloos met laag vermogen betekent dat de batterijkeuze voor elk project varieert. Wanneer het radiosysteem echter onregelmatige stroomstoten nodig heeft of de batterij moet worden opgeladen, zijn de opties vaak snel beperkt.
Gegevensbladen van de batterijfabrikant kunnen helpen, maar de meeste zullen ontladingscurven van de batterij tonen op basis van een constant stroomverbruik en meestal bij een hoger stroomverbruik dan een systeem met laag vermogen zal gebruiken. Enige interpolatie moet worden gebruikt om erachter te komen wat er zal gebeuren in een systeem met laag vermogen.
Radiosystemen zoals deze hebben ook de neiging om minimale stroom te gebruiken tijdens het slapen en hebben dan grote stroompulsen nodig wanneer ze wakker zijn voor ontvangst en verzending. Sommige batterijen zijn hier niet geschikt voor.
Omgevingsfactoren zijn ook van invloed op de keuze van batterijen en het gebruik ervan. Een koude omgeving vermindert de spanning van een batterij en de algehele bruikbare levensduur van de batterij van het apparaat. Hoge temperaturen kunnen ook een negatieve invloed hebben op sommige batterijen.
Het batterijselectieproces is daarom iteratief. Om de beste kandidaat te vinden, loont het de moeite om enkele typen uit te proberen die aan de specificaties voldoen. Deze tabel toont enkele kenmerken van enkele veelvoorkomende batterijtypes:
Type | Celspanning | Energiedichtheid | Typisch ontladingstemperatuurbereik (°C) | Stand-by levensduur | Oplaadbaar? | Max stroom |
Li Ion | 3.6 | Hoge | 0 - 50 | Laag | Ja | Hoge |
Alkalisch | 1.5 | Hoge | -18 - 55 | Hoge | Nee | Medium |
NiMH | 1.2 | Laag | -20 - 65 | Laag | Ja | Hoge |
Li-muntcel | 3 | Laag | -30 - 60 | Hoge | Nee (meestal) | Laag |
LiSoCl2 | 3 | Hoge | -80 - 125 | Heel hoog | Nee | Hoge |
Nadat de batterijkeuze is gemaakt, moet een afkappunt worden bepaald. Voor ultra-low-power systemen in het algemeen is extra voorzichtigheid geboden bij componenten waarvan de prestaties veranderen met de spanning. LCD-schermen en LED's hebben bijvoorbeeld batterijen die zo ver kunnen afnemen dat het contrast verdwijnt of de LED's uitgaan. Voor de beste gebruikerservaring moet u ervoor zorgen dat de batterijspanning waarop u werkt voldoende is om deze operationeel te houden.
Als het systeem een ingangsspanning nodig heeft (wanneer het uitschakelpunt wordt bereikt terwijl de accu's nog bruikbare capaciteit over hebben – bijvoorbeeld als een nominaal 3V-systeem wordt uitgeschakeld bij 2.5V), dan kan een boostregelaar nodig zijn. Er zijn echter compromissen waarmee u rekening moet houden:
· Op welke spanning moet de regelaar worden ingesteld?
· Wat is de efficiëntie van de regelaar en hoe varieert deze met de ingangsspanning?
· Wat gebeurt er als de ingangsspanning hoger is dan de ingestelde spanning, dwz als er nieuwe batterijen worden geplaatst?
· Heft de stroom die door de toezichthouder wordt verspild als gevolg van inefficiënties eventuele capaciteitswinsten teniet?
· Kan een boostconverter de capaciteit van de accu volledig benutten door deze leeg te laten lopen tot een spanning waaronder het systeem zou uitschakelen?
Hardware ontwerp
Minimaliseer pull-ups en andere ontwerptips
Het ontwerp van het draadloze radiosysteem met laag vermogen vereist aandacht voor details die gemakkelijk worden genegeerd in apparaten waar het stroomverbruik onbelangrijk is.
Bij normale systemen met netvoeding hoeft u zich geen zorgen te maken over zaken als stroomlekkage door pull-up weerstanden. In energiezuinige systemen kan dat stroomverbruik een probleem worden. Dat is waar enkele van de compromissen binnenkomen:
Stem de antenne af
Zelfs als het bereik belangrijk is in het ontwerp, vergeet dan niet om de antenne af te stemmen. Op deze manier kunnen ingenieurs het zendvermogen minimaliseren dat nodig is om het gewenste bereik te bereiken.
Reactievermogen en wektijd
Een draadloos apparaat met laag vermogen moet snel een 'nuttige' status bereiken. De tijd tussen het aanraken van het scherm door de gebruiker en de reactie van het systeem is de tijd waarin uw achtergrondverlichting aan is en stroom verbruikt, waardoor de reactietijd mogelijk wordt vertraagd. Er zijn meestal een of meer componenten die speciaal zijn bedoeld om de hoofdprocessor te activeren en het eenvoudigweg uitschakelen van het apparaat is geen handige methode om batterijvermogen te besparen.
Synchronisatie
Veel radioapparaten met een laag vermogen communiceren met elkaar om gegevens of instructies te ontvangen. Om dit te laten gebeuren, is het essentieel dat de ontvanger aan staat om de informatie te ontvangen. Beide uiteinden moeten gesynchroniseerd zijn en gesynchroniseerd blijven, maar we raden aan om het hiervoor benodigde ontvangergebruik te minimaliseren.
In systemen waar twee batterijgevoede apparaten met elkaar communiceren, gaan beide naar de energiebesparende/slaapstand om de batterij te sparen. Het is dus niet gegarandeerd dat gegevens onbeschadigd binnenkomen of worden ontvangen. Daarom zijn er verschillende protocollen ontwikkeld, zoals foutdetectie en bevestigingen, om dit tegen te gaan.
Pas op temperatuurafwijking
Elk actief apparaat in het systeem gebruikt een soort klok. Deze kunnen variëren met de temperatuur, wat betekent dat het belangrijk is om rekening te houden met omgevingsfactoren die kunnen leiden tot tijdsverschillen tussen actieve apparaten. Het is van vitaal belang dat er bij het ontwerp van het systeem rekening wordt gehouden met drift, aangezien dit kan leiden tot een hoger batterijverbruik.
Minimaliseer het TX-vermogen
Verhoog het uitgangsvermogen niet onnodig boven wat nodig is - als de radioverbinding maar tien meter hoeft te bereiken, is het onwaarschijnlijk dat 5dB uitgangsvermogen nodig is.
Korte zendpulsen
Wanneer de zender is ingeschakeld, bevindt een radio met laag vermogen zich op maximaal vermogen. Daarom is het logisch om dat op tijd te minimaliseren. Dit betekent het verminderen van de hoeveelheid gegevens die wordt verzonden.
Om de tijd van de ontvanger te minimaliseren, ligt de nadruk op de hoeveelheid gegevens die moet worden verzonden en waarmee wordt gecommuniceerd. Als het systeem constant aan moet staan, kan de ontvangertijd worden geminimaliseerd, omdat de technicus al weet dat het systeem aan staat en op elk moment kan zenden.
Updaten van radiosystemen
Er zijn twee manieren om een radiosysteem bij te werken: handmatig, waarbij je naar elke unit gaat en updatet, en via de ether (OTA), waarbij de radio zelf de code binnen de unit bijwerkt. OTA-updates zijn over het algemeen veel efficiënter, maar er is een grotere kans dat er iets misgaat. Fail safes zijn daarom essentieel om ervoor te zorgen dat het systeem blijft werken.
Batch testen
Met energiezuinige apparaten die op batterijen werken, kunt u net onder de limiet van de prestatie van het onderdeel werken. Bij actieve apparaten zoals FET's, waarbij u vertrouwt op een lage spanningsval, zal er altijd een verschil zijn in apparaatkenmerken dat de prestaties kan beïnvloeden.
Batchtesten zijn de moeite waard om ervoor te zorgen dat variaties de werking van het apparaat niet in gevaar brengen. Om pijn tijdens massaproductie te voorkomen, is het de moeite waard om enkele van de eenvoudigere ontwerpaspecten te simuleren met behulp van een SPICE-simulator, zoals extreme temperaturen en spanningen.
En onthoud: gebruikerservaring en verwachtingen zijn essentiële overwegingen. Een ingenieur zou een fantastisch energiezuinig systeem kunnen ontwerpen dat de eindgebruiker niet tevreden stelt, omdat ze misschien verwachten dat het veel sneller reageert dan het in werkelijkheid doet. Dit is waar de evenwichtsoefening echt plaatsvindt, maar met de beschikbare technologieën en ervaren ingenieurs zijn compromissen mogelijk.
(Foto door Mike Baumeister on Unsplash)
Wilt u meer weten van leidinggevenden en opinieleiders op dit gebied? Lees meer over de Digitale tweelingwereld evenement, dat plaatsvindt op 8-9 september 2021, dat dieper ingaat op het verbeteren van bedrijfsresultaten en de industrieën die hiervan zullen profiteren.
Bron: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Account
- actieve
- Alles
- antenne
- dit artikel
- batterijen
- Accu
- BEST
- Miljard
- Bluetooth
- boord
- bedrijfsdeskundigen
- Cambridge
- Inhoud
- klanten
- code
- Munt
- Gemeen
- consumptie
- voortzetten
- Actueel
- gegevens
- Design
- leesmaatjes
- Opsporing
- ontwikkelaars
- systemen
- Director
- afstand
- Val
- doeltreffendheid
- Elektronica
- eindigt
- ingenieur
- Engineering
- Ingenieurs
- Milieu
- milieu
- Event
- leidinggevende
- SNELLE
- Figuur
- Voornaam*
- geschikt
- Focus
- FPGA
- Algemeen
- Globaal
- Hoge
- Hoe
- HTTPS
- Inclusief
- Laat uw omzet
- industrieën
- -industrie
- informatie
- inzichten
- iot
- iot apparaten
- IT
- sleutel
- Groot
- leiden
- Niveau
- Beperkt
- LINK
- laden
- Fabrikant
- Mesh-netwerk
- netwerk
- Aanbod
- werkzaam
- Opties
- bestellen
- Overige
- Overig
- prestatie
- energie
- druk
- Productie
- project
- Radio
- reeks
- verminderen
- antwoord
- besparing
- scherm
- zin
- -Series
- reeks
- Bermuda's
- simulator
- Vertragen
- Klein
- So
- Tussenruimte
- snelheid
- Uitgaven
- Land
- blijven
- geslaagd
- ondersteuning
- Stap over voor slechts
- system
- Systems
- Technologies
- Testen
- niet de tijd of
- reizen
- universiteit-
- bijwerken
- updates
- golflengten
- Wat is
- Wi-fi
- draadloze
- binnen
- Mijn werk
- waard