The number of connected IoT devices is forecast to jump to 125 billion by 2030. This is not difficult to believe, as global IoT spending osiągnął 745 miliardy dolarów w 2019 roku. Against this backdrop, electronics designers are under pressure to optimise designs especially when it comes to battery life.
W tym artykule Dunstan Power, dyrektor firmy ByteSnap Design, przedstawia wgląd w kluczowe zagadnienia związane z projektowaniem bezprzewodowych systemów radiowych o niskim poborze mocy.
Akt równowagi
Zmniejszenie zużycia energii przez urządzenie przy próbie osiągnięcia pożądanego poziomu funkcjonalności jest jednym z najtrudniejszych aspektów projektowania o niskim poborze mocy. Każde dostępne obecnie urządzenie bezprzewodowe o niskim poborze mocy jest wynikiem pomyślnego wyważenia, w ramach którego programiści zważyli swoje priorytety i dokonali szeregu kompromisów, które zaowocowały działającym urządzeniem.
Software Design
System choices made at the beginning of a project dictate what can be achieved. Designing for low power from the outset is recommended, with the first consideration being the type of radio to deploy. The choice is vast from short range radios, like ZigBee, Thread, Bluetooth and Wi-Fi to long-range low power radio, including LoRa, SigFox and Weightless, and cellular radio systems.
Niektóre długości fal radiowych propagują się znacznie lepiej niż inne, co oznacza zwiększoną efektywność energetyczną. Niższe częstotliwości zwykle propagują się lepiej niż wyższe częstotliwości, ale kompromis polega na tym, że potencjalna szybkość transmisji danych jest zmniejszona. Wyższe częstotliwości zwykle obejmują krótsze odległości, ale mają większą przepustowość i szybsze prędkości transmisji. Im dłuższy dystans muszą przebyć sygnały, tym mniejsza jest generalnie prędkość, z której można korzystać.
Weź również pod uwagę topologię systemu radiowego — może to zwiększyć wydajność i szybkość systemu, jeśli jest odpowiednio zarządzane. Topologie gwiazdy są idealne, gdy urządzenie nadrzędne nie jest zasilane bateryjnie i jest w stanie samodzielnie zarządzać obciążeniem sieci. Alternatywnie, gdy wszystkie urządzenia mają małą moc, bardziej odpowiednia może być sieć typu mesh z wieloma repeaterami.
Wybór mikrokontrolera jest zwykle prosty, a projektant zazwyczaj ma rodzinę/producenta, którego zna. Większość dzisiejszych małych procesorów – opartych na PIC, AVR, ARM – ma tryby niskiego poboru mocy, które można wykorzystać do zmniejszenia mocy wymaganej podczas pracy. Polegają na przerwaniu, aby ponownie je obudzić. Wiele z nich ma również system szybkiego budzenia, aby skrócić czas do minimum, a tym samym zmniejszyć zużycie energii.
Zasięg łączności bezprzewodowej o niskim poborze mocy oznacza, że wybór baterii różni się w zależności od projektu. Jednakże, gdy system radiowy wymaga rzadkich impulsów prądu lub akumulator musi być ładowany, opcje są często szybko ograniczone.
Arkusze danych producenta baterii mogą być pomocne, ale większość pokazuje krzywe rozładowania baterii w oparciu o stały pobór prądu i zwykle przy wyższym poborze prądu niż system o niskim poborze mocy. Aby dowiedzieć się, co stanie się w systemie małej mocy, należy zastosować pewną interpolację.
Ponadto takie systemy radiowe zwykle zużywają minimalną moc podczas snu, a następnie wymagają dużych impulsów prądu, gdy nie śpią, do odbioru i nadawania. Niektóre akumulatory nie są do tego przystosowane.
Czynniki środowiskowe również wpływają na wybór baterii i ich użytkowanie. Zimne otoczenie obniży napięcie baterii i ogólną żywotność baterii urządzenia. Wysokie temperatury mogą również niekorzystnie wpływać na niektóre akumulatory.
Proces wyboru baterii jest zatem iteracyjny. Aby znaleźć najlepszego kandydata, warto wypróbować kilka typów, które pasują do specyfikacji. Ta tabela przedstawia kilka cech niektórych popularnych typów baterii:
Rodzaj Nieruchomości | Napięcie ogniwa | Gęstość energii | Typical discharging temperature range (°C) | Standby Lifetime | Rechargeable? | Maksymalny prąd |
Li Ion | 3.6 | Wysoki | 0 - 50 | niski | Tak | Wysoki |
Alkaliczny | 1.5 | Wysoki | -18 - 55 | Wysoki | Nie | Średni |
NiMH | 1.2 | niski | -20 - 65 | niski | Tak | Wysoki |
Li Coin Cell | 3 | niski | -30 - 60 | Wysoki | No (usually) | niski |
LiSoCl2 | 3 | Wysoki | -80 - 125 | Bardzo wysoko | Nie | Wysoki |
Po dokonaniu wyboru baterii należy określić punkt odcięcia. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku systemów o bardzo niskim poborze mocy wymagana jest szczególna ostrożność w przypadku komponentów, których wydajność zmienia się wraz z napięciem. Na przykład wyświetlacze LCD i diody LED mają baterie, których pojemność może spaść do tego stopnia, że zaniknie kontrast lub diody LED się wyłączą. Aby zapewnić najlepsze wrażenia użytkownika, należy upewnić się, że napięcie akumulatora, do którego pracujesz, jest wystarczające do ich działania.
If the system requires an input voltage (when the cut-off point is reached whilst the batteries still have usable capacity left – e.g. if a nominal 3V system cuts off at 2.5V), then a boost regulator may be necessary. There are compromises to consider in doing this though:
· What voltage should the regulator be set to?
· What is the efficiency of the regulator and how does it vary with input voltage?
· What happens when the input voltage is higher than the set voltage, i.e. when new batteries are fitted?
· Does the power wasted by the regulator due to inefficiencies cancel out any gains in capacity?
· Could a boost converter fully use the battery’s capacity by draining it to a voltage below which the system would switch off?
Projektowanie sprzętu
Zminimalizuj podciągnięcia i inne wskazówki dotyczące projektowania
Konstrukcja bezprzewodowego systemu radiowego o niskim poborze mocy wymaga zwrócenia uwagi na szczegóły, które można łatwo zignorować w urządzeniach, w których zużycie energii nie ma znaczenia.
W przypadku normalnych systemów zasilanych z sieci nie musisz się martwić o takie elementy, jak upływ prądu przez rezystory podciągające. W systemach o niskim poborze mocy to zużycie energii może stać się problemem. W tym miejscu pojawiają się niektóre kompromisy:
Dostrój antenę
Nawet jeśli zasięg jest ważny w projekcie, pamiętaj o dostrojeniu anteny. W ten sposób inżynierowie mogą zminimalizować moc transmisji potrzebną do osiągnięcia pożądanego zasięgu.
Czas reakcji i czas budzenia
Urządzenie bezprzewodowe o niskim poborze mocy musi szybko osiągnąć stan „użyteczny”. Czas między dotknięciem ekranu przez użytkownika a reakcją systemu to czas, w którym włączone jest podświetlenie i pobór mocy, co potencjalnie wydłuża czas reakcji. Zwykle jest jeden lub więcej komponentów dedykowanych do budzenia głównego procesora, a samo wyłączenie urządzenia nie jest użyteczną metodą oszczędzania energii baterii.
Synchronizacja
Wiele urządzeń radiowych małej mocy komunikuje się ze sobą w celu odbierania danych lub instrukcji. Aby tak się stało, konieczne jest, aby odbiornik był włączony do odbioru informacji. Oba końce muszą być zsynchronizowane i pozostawać zsynchronizowane, ale zalecamy zminimalizowanie wymaganego do tego użycia odbiornika.
W systemach, w których komunikują się dwa urządzenia zasilane bateryjnie, oba przejdą w tryb niskiego poboru mocy/uśpienia, aby wydłużyć żywotność baterii. Tak więc nie ma gwarancji, że dane przejdą lub zostaną odebrane w stanie nieuszkodzonym, dlatego różne protokoły, takie jak wykrywanie błędów i potwierdzenia, zostały opracowane w celu zwalczania tego problemu.
Uważaj na dryf temperatury
Każde aktywne urządzenie w systemie korzysta z pewnego rodzaju zegarów. Mogą one dryfować wraz z temperaturą, co oznacza, że kluczowe jest zwrócenie uwagi na czynniki środowiskowe, które mogą prowadzić do różnic czasowych między aktywnymi urządzeniami. Istotne jest uwzględnienie dryftu podczas projektowania systemu, ponieważ może to prowadzić do wzrostu zużycia energii z baterii.
Zminimalizuj moc TX
Nie należy niepotrzebnie zwiększać mocy wyjściowej ponad to, co jest potrzebne — jeśli łącze radiowe ma osiągnąć tylko dziesięć metrów, jest mało prawdopodobne, aby moc wyjściowa wynosiła 5 dB.
Krótkie impulsy nadawcze
Kiedy nadajnik jest włączony, radiotelefon małej mocy jest w stanie maksymalnej mocy. Dlatego sensowne jest zminimalizowanie tego na czas. Oznacza to zmniejszenie ilości przesyłanych danych.
To minimise receiver on time, the focus is on the amount of data to transmit and what’s being communicated with. If the system needs to be on constantly, the receiver n time can then be minimised as the engineer already knows that the system is on and can transmit at any time.
Aktualizacja systemów radiowych
Istnieją dwa sposoby aktualizacji systemu radiowego: ręczna, która polega na wejściu do każdej jednostki i aktualizacji, oraz bezprzewodowo (OTA), gdzie radio samo aktualizuje kod w jednostce. Aktualizacje OTA są na ogół znacznie wydajniejsze, jednak istnieje zwiększone ryzyko, że coś pójdzie nie tak. Sejfy awaryjne są zatem niezbędne do zapewnienia, że system będzie nadal działał.
Testowanie partii
W przypadku urządzeń o niskim poborze mocy, które są zasilane bateryjnie, możesz pracować tuż poniżej limitu wydajności komponentu. W przypadku urządzeń aktywnych, takich jak tranzystory polowe, w przypadku których polegasz na niskim spadku napięcia, zawsze będzie istniała różnica w charakterystyce urządzenia, która może mieć wpływ na wydajność.
Warto przetestować partie, aby upewnić się, że żadne zmiany nie wpłyną negatywnie na działanie urządzenia. Aby uniknąć problemów podczas masowej produkcji, warto zasymulować niektóre prostsze aspekty projektowe za pomocą symulatora SPICE, takie jak ekstremalne temperatury i napięcia.
I pamiętaj – wrażenia i oczekiwania użytkowników są kluczowymi czynnikami. Inżynier mógłby zaprojektować system o fantastycznie niskim poborze mocy, który nie zadowoli użytkownika końcowego, ponieważ może on oczekiwać, że będzie reagował znacznie szybciej niż w rzeczywistości. To tutaj naprawdę odbywa się równoważenie, ale przy dostępnych technologiach i doświadczonych inżynierach możliwe są kompromisy.
(Zdjęcie zrobione przez Mike Baumeister on Unsplash)
Chcesz dowiedzieć się więcej od dyrektorów i liderów opinii w tej przestrzeni? Dowiedz się więcej o Cyfrowy bliźniaczy świat wydarzenie, które odbędzie się w dniach 8-9 września 2021 r., podczas którego dokładniej zbadane zostaną możliwości poprawy wyników biznesowych oraz branże, które na tym skorzystają.
Source: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Konto
- aktywny
- Wszystkie kategorie
- antena
- artykuł
- baterie
- bateria
- BEST
- Miliard
- Bluetooth
- deska
- biznes
- cambridge
- Pojemność
- klientów
- kod
- Moneta
- wspólny
- konsumpcja
- kontynuować
- Aktualny
- dane
- Wnętrze
- projektant
- Wykrywanie
- deweloperzy
- urządzenia
- Dyrektor
- dystans
- Spadek
- efektywność
- Elektronika
- kończy się
- inżynier
- Inżynieria
- Inżynierowie
- Środowisko
- środowiskowy
- wydarzenie
- kierownictwo
- FAST
- Postać
- i terminów, a
- dopasować
- Skupiać
- FPGA
- Ogólne
- Globalne
- Wysoki
- W jaki sposób
- HTTPS
- Włącznie z
- Zwiększać
- przemysłowa
- przemysł
- Informacja
- spostrzeżenia
- Internet przedmiotów
- urządzenia iot
- IT
- Klawisz
- duży
- prowadzić
- poziom
- Ograniczony
- LINK
- załadować
- Producent
- Siatka stacji
- sieć
- Oferty
- operacyjny
- Opcje
- zamówienie
- Inne
- Pozostałe
- jest gwarancją najlepszej jakości, które mogą dostarczyć Ci Twoje monitory,
- power
- nacisk
- Produkcja
- projekt
- radio
- zasięg
- zmniejszyć
- odpowiedź
- oszczędność
- Ekran
- rozsądek
- Serie
- zestaw
- Short
- symulator
- Spowolnienie
- mały
- So
- Typ przestrzeni
- prędkość
- Spędzanie
- Stan
- pobyt
- udany
- wsparcie
- Przełącznik
- system
- systemy
- Technologies
- Testowanie
- czas
- podróżować
- uniwersytet
- Aktualizacja
- Nowości
- długości fal
- Co to jest
- Wi-Fi
- bezprzewodowy
- w ciągu
- Praca
- wartość