O número de dispositivos IoT conectados está previsto para saltar para 125 bilhões até 2030. Isto não é difícil de acreditar, uma vez que os gastos globais com IoT atingiu US $ 745 bilhões em 2019. Neste contexto, os projetistas de eletrônicos estão sob pressão para otimizar os projetos, especialmente no que diz respeito à duração da bateria.
Neste artigo, Dunstan Power, Diretor de ByteSnap Design, oferece ideias sobre as principais considerações para projetar sistemas de rádio sem fio de baixa potência.
O ato de equilíbrio
Reduzir o consumo de energia de um dispositivo enquanto tenta atingir o nível desejado de funcionalidade é um dos aspectos mais desafiadores do design de baixo consumo de energia. Cada dispositivo sem fio de baixa potência bem-sucedido atualmente disponível é o resultado de um ato de equilíbrio bem-sucedido, onde os desenvolvedores pesaram suas prioridades e fizeram uma série de compromissos que resultaram em um dispositivo funcional.
Design de software
As escolhas do sistema feitas no início de um projeto determinam o que pode ser alcançado. Recomenda-se projetar para baixa potência desde o início, sendo a primeira consideração o tipo de rádio a ser implantado. A escolha é vasta, desde rádios de curto alcance, como ZigBee, Thread, Bluetooth e Wi-Fi, até rádios de longo alcance e baixa potência, incluindo LoRa, SigFox e Weightless, e sistemas de rádio celular.
Alguns comprimentos de onda de rádio se propagam muito melhor do que outros, o que significa maior eficiência de energia. As frequências mais baixas tendem a se propagar melhor do que as frequências mais altas, mas o compromisso é que a taxa de dados potencial é reduzida. Freqüências mais altas tendem a cobrir distâncias mais curtas, mas têm largura de banda mais alta e velocidades de transmissão mais rápidas. Quanto mais longa a distância que os sinais precisam percorrer, mais lenta é a velocidade que você pode usar em geral.
Considere também a topologia do sistema de rádio - isso pode aumentar a eficiência e a velocidade do sistema quando gerenciado corretamente. As topologias em estrela são ideais quando o dispositivo mestre não é alimentado por bateria e é capaz de gerenciar a carga da rede sozinho. Alternativamente, onde todos os dispositivos são de baixa potência, uma rede em malha com vários repetidores pode ser mais adequada.
A escolha do microcontrolador geralmente é direta e um projetista normalmente terá uma família / fabricante com a qual está familiarizado. A maioria dos processadores pequenos hoje em dia - baseados em PIC-, AVR-, ARM - têm modos de baixa energia que podem ser usados para diminuir a energia necessária durante a operação. Eles contam com uma interrupção para acordá-los novamente. Muitos deles também têm um sistema de despertar rápido para manter a hora no mínimo e, assim, reduzir a energia usada.
A faixa de baixa potência sem fio significa que a escolha da bateria varia em cada projeto. No entanto, quando o sistema de rádio requer rajadas infrequentes de corrente, ou a bateria precisa ser recarregável, as opções são frequentemente limitadas rapidamente.
As folhas de dados do fabricante da bateria podem ajudar, mas a maioria mostra as curvas de descarga da bateria com base em um dreno de corrente constante e, geralmente, em um consumo de corrente maior do que um sistema de baixa potência usará. Alguma interpolação deve ser usada para descobrir o que acontecerá em um sistema de baixa potência.
Além disso, sistemas de rádio como este tendem a usar energia mínima durante o sono e, em seguida, requerem grandes pulsos de corrente quando acordados para recepção e transmissão. Algumas baterias não são adequadas para isso.
Fatores ambientais também afetam a escolha da bateria e seu uso. Um ambiente frio reduzirá a voltagem da bateria e a vida útil geral da bateria do dispositivo. As altas temperaturas também podem afetar adversamente algumas baterias.
O processo de seleção da bateria é consequentemente iterativo. Para encontrar o melhor candidato, vale a pena testar alguns tipos que atendam às especificações. Esta tabela mostra algumas características de alguns tipos comuns de bateria:
Formato | Tensão da célula | Densidade Energética | Faixa típica de temperatura de descarga (°C) | Vida útil em espera | Recarregável? | Max atual |
Li Ion | 3.6 | Alta | 0 – 50 | Baixo | Sim | Alta |
Alcalino | 1.5 | Alta | -18 - 55 | Alta | Não | Médio |
NiMH | 1.2 | Baixo | -20 - 65 | Baixo | Sim | Alta |
Célula tipo moeda Li | 3 | Baixo | -30 - 60 | Alta | Não (normalmente) | Baixo |
LiSoCl2 | 3 | Alta | -80 - 125 | Muito alto | Não | Alta |
Uma vez feita a escolha da bateria, um ponto de corte deve ser determinado. Para sistemas de baixíssima energia em geral, é necessário cuidado extra com componentes cujo desempenho muda com a voltagem. Visores LCD e LEDs, por exemplo, possuem baterias que podem diminuir tanto que o contraste desapareça ou os LEDs desliguem. Para obter a melhor experiência do usuário, você deve garantir que a voltagem da bateria na qual você trabalha seja suficiente para mantê-las operacionais.
Se o sistema necessitar de uma tensão de entrada (quando o ponto de corte é atingido enquanto as baterias ainda têm capacidade utilizável – por exemplo, se um sistema nominal de 3 V corta a 2.5 V), então um regulador de reforço pode ser necessário. Existem compromissos a serem considerados ao fazer isso:
· Em que tensão o regulador deve ser ajustado?
· Qual é a eficiência do regulador e como ela varia com a tensão de entrada?
· O que acontece quando a tensão de entrada é superior à tensão definida, ou seja, quando novas baterias são instaladas?
· A energia desperdiçada pelo regulador devido a ineficiências anula quaisquer ganhos de capacidade?
· Um conversor boost poderia usar totalmente a capacidade da bateria, drenando-a para uma tensão abaixo da qual o sistema seria desligado?
Design de Hardware
Minimize pull-ups e outras dicas de design
O projeto do sistema de rádio sem fio de baixa potência requer atenção aos detalhes que são facilmente ignorados em dispositivos onde o consumo de energia não é importante.
Com sistemas normais com alimentação de rede, você não precisa se preocupar com elementos como vazamento de corrente através de resistores pull up. Em sistemas de baixa energia, esse consumo de energia pode se tornar um problema. É aí que entram alguns dos compromissos:
Sintonize a antena
Mesmo que o alcance seja importante no design, lembre-se de ajustar a antena. Ao fazer isso, os engenheiros podem minimizar a potência de transmissão necessária para atingir o alcance desejado.
Capacidade de resposta e tempo de despertar
Um dispositivo sem fio de baixa potência deve atingir um estado 'útil' rapidamente. O tempo entre o usuário tocar na tela e a resposta do sistema é o tempo em que a luz de fundo está ligada e consumindo energia, reduzindo potencialmente o tempo de resposta. Geralmente, há um ou mais componentes dedicados a despertar o processador principal e simplesmente desligar o dispositivo não é um método útil para economizar a energia da bateria.
Sincronização
Muitos dispositivos de rádio de baixa potência comunicam-se entre si para receber dados ou instruções. Para que isso aconteça, é fundamental que o receptor esteja ligado para receber as informações. Ambas as extremidades devem ser sincronizadas e permanecer sincronizadas, mas recomendamos minimizar o uso do receptor necessário para isso.
Em sistemas em que dois dispositivos alimentados por bateria estão se comunicando, ambos entrarão nos modos de economia de energia / suspensão para preservar a vida útil da bateria. Assim, não é garantido que os dados sejam transmitidos ou recebidos incorretamente, pelo que vários protocolos, como detecção de erros e reconhecimentos, foram desenvolvidos para o combater.
Cuidado com a variação de temperatura
Cada dispositivo ativo no sistema usa algum tipo de relógio. Eles podem variar com a temperatura, o que significa que é importante observar os fatores ambientais que podem levar a diferenças de tempo entre os dispositivos ativos. É vital que o desvio seja levado em consideração ao projetar o sistema, pois pode levar a um aumento no consumo de energia da bateria.
Minimize a potência TX
Não aumente desnecessariamente a potência de saída além do necessário - se o link de rádio precisa atingir apenas dez metros, é improvável que seja necessária uma potência de saída de 5dB.
Transmitir pulsos curtos
Quando o transmissor está ligado, um rádio de baixa potência está em seu estado de potência máxima. Portanto, faz sentido minimizar isso no prazo. Isso significa reduzir a quantidade de dados transmitidos.
Para minimizar o tempo do receptor, o foco está na quantidade de dados a serem transmitidos e no que está sendo comunicado. Se o sistema precisar estar ligado constantemente, o tempo n do receptor poderá então ser minimizado, pois o engenheiro já sabe que o sistema está ligado e pode transmitir a qualquer momento.
Atualização de sistemas de rádio
Existem duas maneiras de atualizar um sistema de rádio: Manualmente, que envolve ir para cada unidade e atualizar, e over the air (OTA), onde o próprio rádio atualiza o código dentro da unidade. As atualizações OTA geralmente são muito mais eficientes, no entanto, há uma chance maior de algo dar errado. Os cofres contra falhas são, portanto, vitais para garantir que o sistema continue a funcionar.
Teste de lote
Com dispositivos de baixa energia que funcionam com bateria, você pode operar abaixo do limite de desempenho do componente. Com dispositivos ativos como FETs, onde você depende de uma queda de tensão baixa, sempre haverá uma diferença nas características do dispositivo que podem afetar o desempenho.
O teste em lote vale a pena para garantir que qualquer variação não comprometa a operação do dispositivo. Para evitar dores durante a produção em massa, vale a pena simular alguns dos aspectos de design mais simples usando um simulador SPICE, como temperatura e extremos de tensão.
E lembre-se - a experiência e as expectativas do usuário são considerações vitais. Um engenheiro poderia projetar um sistema fantasticamente baixo de energia que não satisfaça o usuário final porque ele pode estar esperando que ele responda muito mais rápido do que realmente o faz. É aqui que o ato de equilíbrio realmente acontece, mas com as tecnologias disponíveis e engenheiros experientes, compromissos são possíveis.
(Foto por 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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