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 a ajuns la 745 miliarde de dolari în 2019. Against this backdrop, electronics designers are under pressure to optimise designs especially when it comes to battery life.
În acest articol, Dunstan Power, directorul ByteSnap Design, oferă informații despre considerațiile cheie pentru proiectarea sistemelor radio fără fir de mică putere.
Actul de echilibrare
Reducerea consumului de energie al unui dispozitiv în timp ce încercați să atingeți nivelul dorit de funcționalitate este unul dintre cele mai provocatoare aspecte ale proiectării cu putere redusă. Fiecare dispozitiv wireless de putere redusă disponibil în prezent este rezultatul unui act de echilibrare reușit, în care dezvoltatorii și-au cântărit prioritățile și au făcut o serie de compromisuri care au dus la un dispozitiv funcțional.
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.
Unele lungimi de undă radio se propagă mult mai bine decât altele, ceea ce înseamnă o eficiență energetică crescută. Frecvențele mai mici tind să se propage mai bine decât frecvențele mai mari, dar compromisul constă în faptul că rata de date potențială este redusă. Frecvențele mai mari tind să acopere distanțe mai mici, dar au lățime de bandă mai mare și viteze de transmisie mai mari. Cu cât trebuie să parcurgă semnalele de distanță, cu atât este mai mică viteza pe care o puteți utiliza în general.
Luați în considerare, de asemenea, topologia sistemului radio - acest lucru poate crește eficiența și viteza sistemului atunci când este gestionat corect. Topologiile stelare sunt ideale atunci când dispozitivul principal nu este alimentat de baterie și este capabil să gestioneze singura încărcarea rețelei. Alternativ, în cazul în care toate dispozitivele au o putere redusă, o rețea mesh cu repetere multiple ar putea fi mai potrivită.
Alegerea microcontrolerului este de obicei simplă și un proiectant va avea de obicei o familie / producător cu care sunt familiarizați. Cele mai multe procesoare mici din zilele noastre - bazate pe PIC-, AVR-, bazate pe ARM - au moduri de putere redusă care pot fi utilizate pentru a reduce puterea necesară în timpul funcționării. Se bazează pe o întrerupere pentru a-i trezi din nou. Multe dintre acestea au, de asemenea, un sistem de trezire rapidă pentru a menține la timp la minimum și, astfel, pentru a reduce puterea utilizată.
Gama wireless fără consum redus înseamnă că alegerea bateriei variază în funcție de fiecare proiect. Cu toate acestea, atunci când sistemul radio necesită explozii de curent rare sau bateria trebuie să fie reîncărcabilă, opțiunile sunt adesea limitate rapid.
Fișele tehnice ale producătorului bateriei vă pot ajuta, dar majoritatea vor afișa curbe de descărcare a bateriei pe baza unei scurgeri constante de curent și, de obicei, la un consum de curent mai mare decât va folosi un sistem de putere redusă. Trebuie folosită o anumită interpolare pentru a afla ce se va întâmpla într-un sistem cu putere redusă.
De asemenea, sistemele radio de acest gen tind să utilizeze o putere minimă în timp ce dorm și apoi necesită impulsuri mari de curent atunci când sunt treji pentru recepție și transmisie. Unele baterii nu sunt potrivite pentru acest lucru.
Factorii de mediu afectează, de asemenea, alegerea bateriei și utilizarea acestora. Un mediu rece va reduce tensiunea bateriei și durata totală de viață utilă a bateriei dispozitivului. Temperaturile ridicate pot afecta negativ unele baterii.
Prin urmare, procesul de selectare a bateriei este iterativ. Pentru a găsi cel mai bun candidat, merită să testați câteva tipuri care se potrivesc specificațiilor. Acest tabel prezintă câteva caracteristici ale unor tipuri comune de baterii:
Tip | Tensiunea celulară | Densitatea energiei | Typical discharging temperature range (°C) | Standby Lifetime | Rechargeable? | Curent maxim |
Li Ion | 3.6 | Înalt | 0 - 50 | Jos | Da | Înalt |
Alcalin | 1.5 | Înalt | -18 - 55 | Înalt | Nu | Mediu |
NiMH | 1.2 | Jos | -20 - 65 | Jos | Da | Înalt |
Li Coin Cell | 3 | Jos | -30 - 60 | Înalt | No (usually) | Jos |
LiSoCl2 | 3 | Înalt | -80 - 125 | Foarte Sus | Nu | Înalt |
Odată ce alegerea bateriei a fost făcută, trebuie stabilit un punct de întrerupere. În general, pentru sistemele cu putere foarte redusă, este necesară precauție suplimentară în cazul componentelor a căror performanță se modifică cu tensiunea. Afișajele LCD și LED-urile, de exemplu, au baterii care pot scădea atât de mult încât contrastul dispare sau LED-urile se sting. Pentru cea mai bună experiență a utilizatorului, trebuie să vă asigurați că tensiunea bateriei la care lucrați este suficientă pentru a menține cele operaționale.
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?
Proiectare hardware
Minimizați pull-up-urile și alte sfaturi de proiectare
Proiectarea sistemului radio wireless de consum redus necesită atenție la detalii care sunt ușor ignorate în dispozitivele unde consumul de energie este lipsit de importanță.
Cu sistemele normale, alimentate de la rețea, nu trebuie să vă faceți griji cu privire la elemente precum scurgerile de curent prin rezistențe de tragere. În sistemele cu putere redusă, consumul de energie poate deveni o problemă. Aici intervin unele dintre compromisuri:
Reglați antena
Chiar dacă raza de acțiune este importantă în proiectare, nu uitați să reglați antena. Procedând astfel, inginerii pot reduce la minimum puterea de transmisie necesară pentru a atinge domeniul dorit.
Sensibilitate și timp de trezire
Un dispozitiv wireless de consum redus trebuie să atingă rapid o stare „utilă”. Timpul dintre utilizatorul care atinge ecranul și sistemul răspunde este timpul în care lumina de fundal este aprinsă și consumul de energie, potențial încetinind timpul de răspuns. De obicei, există una sau mai multe componente dedicate trezirii procesorului principal și simpla oprire a dispozitivului nu este o metodă utilă de economisire a bateriei.
sincronizare
Multe dispozitive radio de mică putere comunică între ele pentru a primi date sau instrucțiuni. Pentru ca acest lucru să se întâmple, este esențial ca receptorul să fie pornit pentru a primi informațiile. Ambele capete trebuie să fie sincronizate și să rămână sincronizate, dar vă recomandăm să minimalizați utilizarea receptorului necesară pentru aceasta.
În sistemele în care comunică două dispozitive alimentate cu baterie, ambele vor intra în moduri de consum redus / repaus pentru a păstra durata de viață a bateriei. Deci, datele nu sunt garantate pentru a trece sau a fi primite necorupte, prin urmare, diverse protocoale, cum ar fi detectarea erorilor și confirmările, au fost dezvoltate pentru a combate acest lucru.
Feriți-vă de derivarea temperaturii
Fiecare dispozitiv activ din sistem folosește un fel de ceasuri. Acestea pot deriva cu temperatura, ceea ce înseamnă că este esențial să se observe factori de mediu care ar putea duce la diferențe de timp între dispozitivele active. Este vital ca derivația să fie luată în considerare la proiectarea sistemului, deoarece poate duce la o creștere a consumului de energie al bateriei.
Minimizați puterea TX
Nu creșteți inutil puterea de ieșire dincolo de ceea ce este necesar - dacă legătura radio trebuie să atingă doar zece metri, este puțin probabil ca puterea de ieșire de 5 dB să fie necesară.
Impulsuri de transmisie scurte
Când transmițătorul este pornit, un radio cu putere redusă este la starea sa maximă de putere. Prin urmare, are sens să minimizăm acest lucru la timp. Aceasta înseamnă reducerea cantității de date transmise.
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.
Actualizarea sistemelor radio
Există două moduri de a actualiza un sistem radio: manual, care implică accesul în fiecare unitate și actualizare, și prin antenă (OTA), unde radioul însuși actualizează codul din unitate. Actualizările OTA sunt, în general, mult mai eficiente, totuși există șanse crescute ca ceva să nu funcționeze corect. Așadar, seifurile sunt esențiale pentru a se asigura că sistemul va continua să funcționeze.
Testarea lotului
Cu dispozitivele cu consum redus de energie care funcționează pe baterie, puteți funcționa chiar sub limita performanței componentei. Cu dispozitivele active, cum ar fi FET-urile, unde vă bazați pe o cădere de tensiune scăzută, va exista întotdeauna o diferență în caracteristicile dispozitivului, care pot afecta performanța.
Testarea pe lot este utilă pentru a se asigura că orice variație nu va compromite funcționarea dispozitivului. Pentru a evita durerile în timpul producției de masă, merită să simulați unele dintre aspectele de proiectare mai simple folosind un simulator SPICE, cum ar fi temperaturile și tensiunile extreme.
Și nu uitați - experiența utilizatorului și așteptările sunt considerente vitale. Un inginer ar putea proiecta un sistem de putere fantastic de scăzut, care să nu satisfacă utilizatorul final, deoarece se așteaptă să răspundă mult mai repede decât o face de fapt. Aici se întâmplă cu adevărat acțiunea de echilibrare, dar cu tehnologiile disponibile și inginerii experimentați, sunt posibile compromisuri.
(Fotografie de Mike Baumeister on Unsplash)
Doriți să aflați mai multe de la directori și lideri de gândire din acest spațiu? Aflați mai multe despre Digital Twin World eveniment, care va avea loc în perioada 8-9 septembrie 2021, care va explora în detaliu creșterea rezultatelor afacerii și industriile care vor beneficia.
Source: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Cont
- activ
- TOATE
- antenă
- articol
- baterii
- acumulator
- CEL MAI BUN
- Miliard
- Bluetooth
- bord
- afaceri
- Cambridge
- Capacitate
- clientii
- cod
- Monedă
- Comun
- consum
- continua
- Curent
- de date
- Amenajări
- proiectant
- Detectare
- Dezvoltatorii
- Dispozitive
- Director
- distanţă
- Picătură
- eficiență
- Componente electronice
- se încheie
- inginer
- Inginerie
- inginerii
- Mediu inconjurator
- de mediu
- eveniment
- directori
- FAST
- Figura
- First
- potrivi
- Concentra
- fpga
- General
- Caritate
- Înalt
- Cum
- HTTPS
- Inclusiv
- Crește
- industrii
- industrie
- informații
- perspective
- IoT
- dispozitive iot
- IT
- Cheie
- mare
- conduce
- Nivel
- Limitat
- LINK
- încărca
- Producător
- Rețeaua de plasă
- reţea
- promoții
- de operare
- Opţiuni
- comandă
- Altele
- Altele
- performanță
- putere
- presiune
- producere
- proiect
- radio
- gamă
- reduce
- răspuns
- economisire
- Ecran
- sens
- serie
- set
- Pantaloni scurți
- Simulator
- încetinirea
- mic
- So
- Spaţiu
- viteză
- Cheltuire
- Stat
- şedere
- de succes
- a sustine
- Intrerupator
- sistem
- sisteme
- Tehnologii
- Testarea
- timp
- călătorie
- universitate
- Actualizează
- actualizări
- lungimi de undă
- Ce este
- Wi-fi
- fără fir
- în
- Apartamente
- valoare