Število povezanih naprav IoT je predvideno do skočiti na 125 milijard do leta 2030. Temu ni težko verjeti, saj gre za globalno porabo interneta stvari leta 745 dosegel 2019 milijarde dolarjev. Glede na to so oblikovalci elektronike pod pritiskom, da optimizirajo modele, zlasti ko gre za življenjsko dobo baterije.
V tem članku Dunstan Power, direktor podjetja ByteSnap Design, ponuja vpogled v ključne vidike pri oblikovanju brezžičnih radijskih sistemov z majhno močjo.
Akt uravnoteženja
Zmanjšanje porabe energije naprave med poskusom doseganja želene ravni funkcionalnosti je eden najzahtevnejših vidikov zasnove z majhno porabo energije. Vsaka uspešna brezžična naprava, ki je trenutno na voljo, je rezultat uspešnega ravnotežja, kjer so razvijalci pretehtali svoje prioritete in naredili vrsto kompromisov, ki so privedli do delujoče naprave.
Oblikovanje programske opreme
Sistemske izbire na začetku projekta narekujejo, kaj je mogoče doseči. Priporočljivo je načrtovanje za nizko porabo že od samega začetka, pri čemer je treba najprej razmisliti o vrsti radia, ki ga boste uporabili. Izbira je ogromna, od radijskih postaj kratkega dosega, kot so ZigBee, Thread, Bluetooth in Wi-Fi, do radijskih postaj dolgega dosega nizke moči, vključno z LoRa, SigFox in Weightless, ter celičnih radijskih sistemov.
Nekatere radijske valovne dolžine se širijo veliko bolje kot druge, kar pomeni večjo energetsko učinkovitost. Nižje frekvence se običajno širijo bolje kot višje frekvence, vendar je kompromis v tem, da se potencialna hitrost prenosa podatkov zmanjša. Višje frekvence ponavadi pokrivajo krajše razdalje, vendar imajo večjo pasovno širino in hitrejše hitrosti prenosa. Daljši ko morajo signali razdalje potovati, počasnejšo hitrost lahko uporabljate na splošno.
Upoštevajte tudi topologijo radijskega sistema - to lahko ob pravilnem upravljanju poveča učinkovitost in hitrost sistema. Zvezdne topologije so idealne, če glavna naprava ne deluje na baterije in je sposobna sama upravljati omrežno obremenitev. Kadar so vse naprave nizke porabe, bi bilo lahko bolj primerno mrežno omrežje z več repetitorji.
Izbira mikrokrmilnika je običajno enostavna in oblikovalec ima običajno družino / proizvajalca, ki ga pozna. Večina majhnih procesorjev, ki temeljijo na PIC-, AVR-, ARM-načinu, ima načine nizke porabe, s katerimi lahko zmanjšate porabo energije med delovanjem. Zanesejo se na prekinitev, da jih spet zbudijo. Mnogi od njih imajo tudi sistem hitrega prebujanja, s katerim se čas čim bolj zmanjša in s tem zmanjša porabljena moč.
Nabor brezžičnih brezžičnih omrežij pomeni, da se izbira baterij razlikuje pri vsakem projektu. Kadar pa radijski sistem zahteva redke izbruhe toka ali pa je treba baterijo polniti, so možnosti pogosto hitro omejene.
Podatkovni listi proizvajalca baterij lahko pomagajo, vendar bo večina prikazala krivulje praznjenja akumulatorja, ki temeljijo na konstantnem izpraznjenju toka in običajno pri večjem porabu toka, kot ga uporablja sistem z nizko porabo energije. Za ugotovitev, kaj se bo zgodilo v sistemu z nizko porabo, je treba uporabiti nekaj interpolacije.
Tudi radijski sistemi, kot je ta, med spanjem običajno porabijo minimalno moč, nato pa med sprejemanjem in oddajanjem zahtevajo velike impulze toka, ko so budni. Nekatere baterije temu niso primerne.
Okoljski dejavniki vplivajo tudi na izbiro baterij in njihovo uporabo. Hladno okolje bo zmanjšalo napetost baterije in njeno splošno življenjsko dobo. Visoke temperature lahko negativno vplivajo tudi na nekatere baterije.
Postopek izbire baterije je posledično ponavljajoč. Da bi našli najboljšega kandidata, je vredno preizkusiti nekaj vrst, ki ustrezajo specifikacijam. Ta tabela prikazuje nekaj značilnosti nekaterih pogostih vrst baterij:
tip | Napetost celice | Gostota energije | Običajno temperaturno območje praznjenja (°C) | Življenjska doba v stanju pripravljenosti | Polnilna? | Maks. Tok |
Li Ion | 3.6 | visoka | 0 - 50 | nizka | Da | visoka |
Alkalne | 1.5 | visoka | -18 - 55 | visoka | Ne | srednje |
NiMH | 1.2 | nizka | -20 - 65 | nizka | Da | visoka |
Li Coin Cell | 3 | nizka | -30 - 60 | visoka | Ne (ponavadi) | nizka |
LiSoCl2 | 3 | visoka | -80 - 125 | Zelo visoko | Ne | visoka |
Po izbiri baterije je treba določiti mejno točko. Za sisteme z ultra nizko porabo energije je potrebna posebna previdnost pri komponentah, katerih zmogljivost se spreminja z napetostjo. LCD-prikazovalniki in LED-diode imajo na primer baterije, ki se lahko zmanjšajo do te mere, da izgine kontrast ali se LED-diode izklopijo. Za najboljšo uporabniško izkušnjo morate zagotoviti, da napetost akumulatorja, do katere delate, zadostuje, da ostanejo delujoče.
Če sistem zahteva vhodno napetost (ko je dosežena točka izklopa, medtem ko imajo baterije še vedno uporabno kapaciteto – npr. če nazivni sistem 3 V prekine pri 2.5 V), bo morda potreben ojačevalni regulator. Pri tem pa je treba upoštevati kompromise:
· Na kakšno napetost naj bo nastavljen regulator?
· Kakšen je izkoristek regulatorja in kako se spreminja z vhodno napetostjo?
· Kaj se zgodi, ko je vhodna napetost višja od nastavljene napetosti, torej ko se vstavijo nove baterije?
· Ali moč, ki jo regulator zapravi zaradi neučinkovitosti, izniči kakršno koli povečanje zmogljivosti?
· Ali bi lahko ojačevalni pretvornik v celoti izkoristil kapaciteto akumulatorja tako, da bi ga izpraznil do napetosti, pod katero bi se sistem izklopil?
Strojna zasnova
Zmanjšajte povleke in druge nasvete za oblikovanje
Zasnova brezžičnega radijskega sistema z majhno močjo zahteva pozornost do podrobnosti, ki jih naprave, pri katerih poraba energije ni pomembna, zlahka prezrejo.
Pri običajnih sistemih, ki se napajajo iz omrežja, vam ni treba skrbeti za elemente, kot je uhajanje toka skozi vlečne upore. V sistemih z nizko porabo lahko ta poraba energije postane problem. Tu nastopijo nekateri kompromisi:
Naravnajte anteno
Tudi če je pri zasnovi pomemben domet, ne pozabite nastaviti antene. S tem lahko inženirji zmanjšajo prenosno moč, potrebno za doseganje želenega dosega.
Odzivnost in čas budnosti
Brezžična naprava z majhno porabo mora hitro doseči "uporabno" stanje. Čas med dotikom zaslona in odzivom sistema je čas, ko je vklopljena vaša osvetlitev ozadja, in poraba energije, kar lahko upočasni odzivni čas. Običajno obstaja ena ali več komponent, namenjenih prebujanju glavnega procesorja in preprosto izklop naprave ni koristen način varčevanja z energijo baterije.
sinhronizacija
Številne radijske naprave z nizko porabo komunicirajo med seboj, da prejemajo podatke ali navodila. Da bi se to zgodilo, je nujno, da je sprejemnik vključen, da sprejema informacije. Oba konca morata biti sinhronizirana in ostati sinhronizirana, vendar priporočamo, da za to zmanjšate porabo sprejemnika.
V sistemih, kjer komunicirata dve baterijski napravi, bosta obe prešli v način nizke porabe / spanja, da se ohrani življenjska doba baterije. Torej ni zagotovljeno, da bodo podatki prišli skozi ali jih bodo prejeli nepoškodovani, zato so bili za boj proti temu razviti različni protokoli, na primer odkrivanje napak in potrditve.
Pazite, da se giblje temperatura
Vsaka aktivna naprava v sistemu uporablja nekakšne ure. Ti se lahko spreminjajo s temperaturo, kar pomeni, da je ključno opozoriti na okoljske dejavnike, ki bi lahko povzročili časovne razlike med aktivnimi napravami. Bistveno je, da se pri načrtovanju sistema upošteva premik, saj lahko privede do večje porabe energije baterije.
Zmanjšajte moč TX
Ne povečajte izhodne moči po nepotrebnem - če mora radijska povezava doseči le deset metrov, potem izhodna moč 5dB verjetno ne bo potrebna.
Kratki oddajni impulzi
Ko je oddajnik vklopljen, ima radio z majhno močjo največjo moč. Zato je to smiselno pravočasno zmanjšati. To pomeni zmanjšanje količine prenesenih podatkov.
Za zmanjšanje časa prejemnika je poudarek na količini podatkov za prenos in na tem, s čim se komunicira. Če mora biti sistem stalno vklopljen, se lahko čas sprejemnika skrajša, saj inženir že ve, da je sistem vklopljen in lahko oddaja kadar koli.
Posodabljanje radijskih sistemov
Radijski sistem lahko posodobite na dva načina: ročno, ki vključuje vstop v vsako enoto in posodabljanje ter brezžično (OTA), kjer radio sam posodobi kodo znotraj enote. Posodobitve OTA so na splošno veliko bolj učinkovite, vendar obstaja večja verjetnost, da gre kaj narobe. Odpovedni sefi so zato ključnega pomena za zagotovitev, da bo sistem še naprej deloval.
Serijsko testiranje
Pri napravah z nizko porabo energije, ki delujejo na baterije, lahko delujete tik pod mejo zmogljivosti komponente. Pri aktivnih napravah, kot so FET, pri katerih se zanašate na nizek padec napetosti, bodo značilnosti naprav vedno vplivale na delovanje.
Serijsko testiranje se splača zagotoviti, da kakršne koli spremembe ne bodo ogrozile delovanja naprave. Da bi se izognili bolečinam med množično proizvodnjo, je vredno simulirati nekatere enostavnejše vidike oblikovanja s simulatorjem SPICE, kot so ekstremne temperature in napetosti.
In ne pozabite - uporabniška izkušnja in pričakovanja so ključnega pomena. Inženir bi lahko zasnoval fantastično sistem z nizko porabo energije, ki ne bi zadovoljil končnega uporabnika, ker morda pričakuje, da se bo odzval veliko hitreje kot v resnici. Tu se resnično zgodi izravnava, vendar so z razpoložljivimi tehnologijami in izkušenimi inženirji možni kompromisi.
(Foto: Mike Baumeister on Unsplash)
Želite izvedeti več od vodstvenih in miselnih voditeljev v tem prostoru? Več o tem Digitalni svet dvojčkov dogodek, ki bo potekal od 8. do 9. septembra 2021 in bo podrobneje raziskal povečevanje poslovnih rezultatov in panoge, ki bodo imele koristi.
Vir: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Račun
- aktivna
- vsi
- antena
- članek
- baterije
- baterija
- BEST
- Billion
- bluetooth
- svet
- poslovni
- Cambridge
- kapaciteta
- stranke
- Koda
- Coin
- Skupno
- poraba
- naprej
- Trenutna
- datum
- Oblikovanje
- oblikovalec
- Odkrivanje
- Razvijalci
- naprave
- Direktor
- razdalja
- Drop
- učinkovitosti
- Elektronika
- konča
- inženir
- Inženiring
- Inženirji
- okolje
- okolja
- Event
- vodstvo
- FAST
- Slika
- prva
- fit
- Osredotočite
- FPGA
- splošno
- Globalno
- visoka
- Kako
- HTTPS
- Vključno
- Povečajte
- industrij
- Industrija
- Podatki
- vpogledi
- Internet stvari
- naprave
- IT
- Ključne
- velika
- vodi
- Stopnja
- Limited
- LINK
- obremenitev
- Proizvajalec
- Mrežna mreža
- mreža
- Ponudbe
- deluje
- možnosti
- Da
- Ostalo
- drugi
- performance
- moč
- tlak
- proizvodnja
- Projekt
- radio
- območje
- zmanjša
- Odgovor
- shranjevanje
- Zaslon
- Občutek
- Serija
- nastavite
- Kratke Hlače
- Simulator
- Počasi
- majhna
- So
- Vesolje
- hitrost
- Poraba
- Država
- bivanje
- uspešno
- podpora
- Preklop
- sistem
- sistemi
- Tehnologije
- Testiranje
- čas
- potovanja
- univerza
- Nadgradnja
- posodobitve
- valovne dolžine
- Kaj je
- Wi-fi
- brezžična
- v
- delo
- vredno