Прогнозується кількість підключених пристроїв IoT до підскочити до 125 мільярдів до 2030 року. У це не важко повірити, оскільки глобальні витрати на IoT досягла $ 745 млрд у 2019 році. На цьому тлі розробники електроніки змушені оптимізувати дизайн, особливо коли йдеться про час роботи батареї.
У цій статті Данстан Пауер, директор ByteSnap Design, пропонує розуміння ключових міркувань для проектування бездротових радіосистем малої потужності.
Акт балансування
Зменшення енергоспоживання пристрою при спробі досягти бажаного рівня функціональності є одним із найскладніших аспектів конструкції з низьким енергоспоживанням. Кожен успішний бездротовий бездротовий пристрій, який зараз доступний, є результатом успішного балансування, коли розробники зважили свої пріоритети та зробили низку компромісів, які призвели до функціонування пристрою.
Дизайн програмного забезпечення
Системний вибір, зроблений на початку проекту, визначає, чого можна досягти. З самого початку рекомендується розраховувати на низьку потужність, перш за все враховуючи тип радіостанції для розгортання. Вибір широкий: від радіостанцій малого радіусу дії, як-от ZigBee, Thread, Bluetooth і Wi-Fi, до радіостанцій далекого радіусу дії малої потужності, включаючи LoRa, SigFox і Weightless, а також стільникових радіосистем.
Деякі довжини радіохвиль поширюються набагато краще, ніж інші, що означає збільшення енергоефективності. Нижні частоти, як правило, поширюються краще, ніж більш високі, але компроміс полягає в тому, що потенційна швидкість передачі даних зменшується. Більш високі частоти, як правило, покривають менші відстані, але мають більшу пропускну здатність і вищі швидкості передачі. Чим довше потрібно проїжджати сигнали відстані, тим меншою швидкістю ви можете користуватися загалом.
Також враховуйте топологію радіосистеми - це може збільшити ефективність та швидкість роботи системи при правильному управлінні. Топології зірок ідеально підходять, коли головний пристрій не живиться від акумулятора і здатний управляти навантаженням мережі самостійно. Як варіант, якщо всі пристрої мають низьку потужність, сітчаста мережа з кількома повторювачами може бути більш підходящою.
Вибір мікроконтролера, як правило, є простим, і дизайнер, як правило, має сім’ю / виробника, з яким вони знайомі. Більшість невеликих процесорів на сьогоднішній день - на основі PIC, AVR, ARM - мають режими низької потужності, які можна використовувати для зменшення потужності, необхідної під час роботи. Вони покладаються на переривання, щоб знову розбудити їх. Багато з них також мають систему швидкого пробудження, щоб звести час до мінімуму і тим самим зменшити споживану потужність.
Діапазон бездротових з низьким енергоспоживанням означає, що вибір акумулятора залежить від кожного проекту. Однак, коли радіосистема вимагає рідкісних сплесків струму або батарею потрібно перезаряджати, варіанти часто швидко обмежуються.
Технічні паспорти виробника акумуляторів можуть допомогти, але більшість з них показуватимуть криві розряду акумулятора на основі постійного струму струму, і, як правило, при більшому струмі струму, ніж використовуватиме система низького енергоспоживання. Потрібна певна інтерполяція, щоб з’ясувати, що відбуватиметься в системі з низьким енергоспоживанням.
Крім того, такі радіосистеми, як правило, використовують мінімальну потужність під час сну, а потім вимагають великих імпульсів струму, коли вони не сплячі для прийому та передачі. Деякі батареї для цього не підходять.
Фактори навколишнього середовища також впливають на вибір акумулятора та його використання. Холодне середовище зменшить напругу акумулятора та загальний корисний час роботи акумулятора пристрою. Високі температури також можуть негативно вплинути на деякі батареї.
Отже, процес вибору акумулятора є повторним. Щоб знайти найкращого кандидата, варто випробувати кілька типів, які відповідають технічним вимогам. У цій таблиці представлено кілька характеристик деяких типових типів акумуляторів:
тип | Напруга клітини | Щільність енергії | Типовий діапазон температур розряду (°C) | Тривалість роботи в режимі очікування | Перезаряджається? | Макс. Струм |
Li Ion | 3.6 | Високий | 0 - 50 | низький | Так | Високий |
Лужний | 1.5 | Високий | -18 - 55 | Високий | Немає | Medium |
NiMH | 1.2 | низький | -20 - 65 | низький | Так | Високий |
Li Coin Cell | 3 | низький | -30 - 60 | Високий | Ні (зазвичай) | низький |
LiSoCl2 | 3 | Високий | -80 - 125 | Дуже Високо | Немає | Високий |
Після вибору акумулятора необхідно визначити точку відключення. Загалом для систем з наднизькою потужністю потрібна особлива обережність щодо компонентів, експлуатаційні характеристики яких змінюються із напругою. Наприклад, на РК-дисплеях та світлодіодах є батареї, які можуть зменшуватися настільки, що контраст зникає або світлодіоди вимикаються. Для найкращого користувальницького досвіду ви повинні переконатися, що напруга акумулятора, до якої ви працюєте, є достатньою, щоб підтримувати їх роботу.
Якщо системі потрібна вхідна напруга (коли точка відключення досягнута, коли батареї ще мають корисну ємність – наприклад, якщо номінальна система 3 В відключається при 2.5 В), тоді може знадобитися регулятор підсилення. Але при цьому слід враховувати компроміси:
· На яку напругу слід встановити регулятор?
· Який ККД регулятора і як він змінюється залежно від вхідної напруги?
· Що відбувається, коли вхідна напруга вища за встановлену, тобто коли встановлюються нові батареї?
· Чи енергія, втрачена регулятором через неефективність, скасовує будь-який приріст потужності?
· Чи може підвищувальний перетворювач повністю використовувати ємність акумулятора, розряджаючи його до напруги, нижче якої система вимкнеться?
Дизайн апаратного забезпечення
Мінімізуйте підтягування та інші поради щодо дизайну
Конструкція радіосистеми малої потужності вимагає уваги до деталей, які легко ігнорувати в пристроях, де споживання енергії є неважливим.
У звичайних системах, що живляться від мережі, вам не доведеться турбуватися про такі елементи, як витік струму через підтягувальні резистори. У системах з низьким енергоспоживанням це споживання енергії може стати проблемою. Ось де йдуть деякі компроміси:
Налаштуйте антену
Навіть якщо діапазон важливий для конструкції, не забудьте налаштувати антену. Роблячи це, інженери можуть мінімізувати потужність передачі, необхідну для досягнення бажаного діапазону.
Чуйність і час пробудження
Бездротовий пристрій із низьким енергоспоживанням повинен швидко досягти “корисного” стану. Час, коли користувач торкається екрана та реагує на систему, - це час, коли ваше підсвічування увімкнено, та ввімкнення живлення, що потенційно сповільнює час відгуку. Зазвичай є один або кілька компонентів, призначених для пробудження основного процесора та простого вимкнення пристрою, не є корисним методом економії заряду акумулятора.
Синхронізація
Багато радіопристроїв малої потужності спілкуються між собою для отримання даних або інструкцій. Для цього важливо, щоб приймач був увімкнений для отримання інформації. Обидва кінці повинні бути синхронізованими та залишатися синхронізованими, але ми рекомендуємо мінімізувати використання приймача, необхідне для цього.
У системах, де два пристрої, що живляться від акумулятора, взаємодіють, обидва переходять у режим низького енергоспоживання / сну, щоб зберегти час автономної роботи. Отже, дані не гарантовано проникатимуть або отримуватимуться без пошкоджень, отже, різні протоколи, такі як виявлення помилок та підтвердження, були розроблені для боротьби з цим.
Остерігайтеся дрейфу температури
Кожен активний пристрій у системі використовує певні годинники. Вони можуть дрейфувати з температурою, тобто важливо відзначити фактори навколишнього середовища, які можуть призвести до різниці в часі між активними пристроями. Життєво важливо, щоб при проектуванні системи враховувався дрейф, оскільки це може призвести до збільшення енергоспоживання.
Мінімізуйте потужність передачі
Не надто посилюйте вихідну потужність понад необхідну - якщо радіолінія повинна досягати лише десяти метрів, то вихідна потужність 5 дБ навряд чи знадобиться.
Короткі імпульси передачі
Коли передавач увімкнено, радіостанція низької потужності перебуває у стані максимальної потужності. Тому має сенс мінімізувати це вчасно. Це означає зменшення обсягу переданих даних.
Щоб мінімізувати час одержувача, зосередьтеся на обсязі даних для передачі та на тому, з чим передається. Якщо системі потрібно постійно працювати, час прийому n можна мінімізувати, оскільки інженер уже знає, що система ввімкнена, і може передавати в будь-який час.
Оновлення радіосистем
Існує два способи оновлення радіосистеми: вручну, що передбачає запуск кожного пристрою та оновлення, а також по ефіру (OTA), де радіо само оновлює код всередині пристрою. Оновлення OTA, як правило, набагато ефективніші, однак існує більша ймовірність чогось піти не так. Тому відмовні сейфи є життєво важливими для забезпечення продовження роботи системи.
Пакетне тестування
За допомогою пристроїв з низьким енергоспоживанням, що працюють від акумулятора, ви можете працювати лише під обмеженням продуктивності компонента. При активних пристроях, таких як транзистори транзистора, де ви покладаєтесь на низьке падіння напруги, в характеристиках пристроїв завжди будуть різниці, які можуть вплинути на продуктивність.
Варто проводити пакетне тестування, щоб переконатися, що будь-які зміни не загрожують роботі пристрою. Щоб уникнути болю під час масового виробництва, варто імітувати деякі простіші аспекти дизайну за допомогою симулятора SPICE, наприклад, перепадів температури та напруги.
І пам’ятайте - досвід та очікування користувачів є життєво важливими міркуваннями. Інженер може розробити фантастично низьку енергосистему, яка не задовольняє кінцевого споживача, оскільки, можливо, вони очікують, що вона реагуватиме набагато швидше, ніж насправді. Тут дійсно відбувається балансування, але завдяки наявним технологіям та досвідченим інженерам можливі компроміси.
(Фото: Міка Баумейстер on Unsplash)
Хочете дізнатися більше від керівників і лідерів думок у цьому просторі? Дізнайтеся більше про Цифровий світ-близнюк захід, який відбудеться 8-9 вересня 2021 року, на якому детальніше досліджуватимуться підвищення бізнес-результатів і галузі, які від цього виграють.
Джерело: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- рахунки
- активний
- ВСІ
- антена
- стаття
- батареї
- акумулятор
- КРАЩЕ
- Мільярд
- Bluetooth
- рада
- бізнес
- Кембридж
- потужність
- клієнтів
- код
- Монета
- загальний
- споживання
- продовжувати
- Поточний
- дані
- дизайн
- Дизайнерка
- Виявлення
- розробників
- прилади
- Директор
- відстань
- Падіння
- ефективність
- електроніка
- закінчується
- інженер
- Машинобудування
- Інженери
- Навколишнє середовище
- навколишній
- Event
- керівництво
- ШВИДКО
- Рисунок
- Перший
- відповідати
- Сфокусувати
- FPGA
- Загальне
- Глобальний
- Високий
- Як
- HTTPS
- У тому числі
- Augmenter
- промисловості
- промисловість
- інформація
- розуміння
- КАТО
- прилади іоту
- IT
- ключ
- великий
- вести
- рівень
- обмеженою
- LINK
- загрузка
- виробник
- Мережева мережа
- мережу
- Пропозиції
- операційний
- Опції
- порядок
- Інше
- інші
- продуктивність
- влада
- тиск
- Production
- проект
- радіо
- діапазон
- зменшити
- відповідь
- економія
- Екран
- сенс
- Серія
- комплект
- Короткий
- симулятор
- Уповільнення
- невеликий
- So
- Простір
- швидкість
- Витрати
- стан
- залишатися
- успішний
- підтримка
- перемикач
- система
- Systems
- Технології
- Тестування
- час
- подорожувати
- університет
- Оновити
- Updates
- довжини хвиль
- Що таке
- Wi-Fi
- бездротової
- в
- Work
- вартість