Số lượng thiết bị IoT được kết nối được dự báo sẽ nhảy vọt lên 125 tỷ vào năm 2030. Điều này không khó tin, vì chi tiêu cho IoT toàn cầu đạt 745 tỷ đô la vào năm 2019. Trong bối cảnh đó, các nhà thiết kế điện tử chịu áp lực phải tối ưu hóa các thiết kế, đặc biệt là khi nói đến thời lượng pin.
Trong bài viết này, Dunstan Power, Giám đốc của ByteSnap Design, đưa ra những hiểu biết sâu sắc về những cân nhắc chính để thiết kế hệ thống vô tuyến không dây công suất thấp.
Hoạt động cân băng
Giảm mức tiêu thụ điện của thiết bị trong khi cố gắng đạt được mức chức năng mong muốn là một trong những khía cạnh thách thức nhất của thiết kế công suất thấp. Mỗi thiết bị không dây công suất thấp thành công hiện có là kết quả của một hành động cân bằng thành công, trong đó các nhà phát triển đã cân nhắc các ưu tiên của họ và thực hiện một loạt các thỏa hiệp dẫn đến một thiết bị hoạt động.
Thiết kế phần mềm
Các lựa chọn hệ thống được thực hiện khi bắt đầu một dự án chỉ ra những gì có thể đạt được. Nên thiết kế cho công suất thấp ngay từ đầu, với việc xem xét đầu tiên là loại đài để triển khai. Có rất nhiều lựa chọn từ đài phát thanh tầm ngắn, như ZigBee, Thread, Bluetooth và Wi-Fi đến đài phát thanh công suất thấp tầm xa, bao gồm LoRa, SigFox và Weightless, cũng như các hệ thống vô tuyến di động.
Một số bước sóng vô tuyến truyền tốt hơn nhiều so với những bước sóng khác, có nghĩa là tăng hiệu quả sử dụng điện. Các tần số thấp hơn có xu hướng lan truyền tốt hơn các tần số cao hơn, nhưng thỏa hiệp là tốc độ dữ liệu tiềm năng bị giảm. Tần số cao hơn có xu hướng bao phủ khoảng cách ngắn hơn, nhưng có băng thông cao hơn và tốc độ truyền nhanh hơn. Các tín hiệu khoảng cách cần di chuyển càng dài thì tốc độ bạn có thể sử dụng nói chung càng chậm.
Cũng nên xem xét cấu trúc liên kết của hệ thống vô tuyến - điều này có thể làm tăng hiệu quả và tốc độ của hệ thống khi được quản lý đúng cách. Cấu trúc liên kết hình sao là lý tưởng khi thiết bị chính không được cấp nguồn bằng pin và chỉ có thể quản lý tải mạng. Ngoài ra, khi tất cả các thiết bị có công suất thấp, một mạng lưới với nhiều bộ lặp có thể phù hợp hơn.
Việc lựa chọn vi điều khiển thường đơn giản và một nhà thiết kế thường sẽ có một gia đình / nhà sản xuất mà họ quen thuộc. Hầu hết các bộ vi xử lý nhỏ ngày nay - PIC-, AVR-, dựa trên ARM - có chế độ năng lượng thấp có thể được sử dụng để giảm công suất cần thiết trong quá trình hoạt động. Họ dựa vào một sự gián đoạn để đánh thức họ trở lại. Nhiều người trong số này cũng có hệ thống đánh thức nhanh để giữ đúng thời gian ở mức tối thiểu và do đó giảm điện năng sử dụng.
Phạm vi của không dây công suất thấp có nghĩa là sự lựa chọn pin khác nhau ở mọi dự án. Tuy nhiên, khi hệ thống vô tuyến yêu cầu dòng điện bùng phát không thường xuyên hoặc pin cần được sạc lại, các tùy chọn thường nhanh chóng bị hạn chế.
Bảng dữ liệu của nhà sản xuất pin có thể giúp ích, nhưng hầu hết sẽ hiển thị đường cong xả pin dựa trên mức tiêu hao dòng điện không đổi và thường ở mức dòng điện cao hơn so với hệ thống điện thấp sẽ sử dụng. Một số phép nội suy phải được sử dụng để tìm ra điều gì sẽ xảy ra trong hệ thống công suất thấp.
Ngoài ra, các hệ thống vô tuyến như thế này có xu hướng sử dụng điện năng tối thiểu trong khi ngủ và sau đó yêu cầu các xung dòng điện lớn khi thức để nhận và truyền. Một số loại pin không phù hợp với điều này.
Các yếu tố môi trường cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn pin và việc sử dụng chúng. Môi trường lạnh sẽ làm giảm điện áp của pin và thời lượng pin hữu ích tổng thể của thiết bị. Nhiệt độ cao cũng có thể ảnh hưởng xấu đến một số loại pin.
Do đó, quá trình lựa chọn pin là lặp đi lặp lại. Để tìm ra ứng cử viên tốt nhất, bạn nên thử một vài loại phù hợp với thông số kỹ thuật. Bảng này trình bày một vài đặc điểm của một số loại pin phổ biến:
Kiểu | Điện thế di động | Mật độ năng lượng | Phạm vi nhiệt độ xả điển hình (° C) | Thời gian chờ trọn đời | Có thể sạc lại? | Tối đa hiện tại |
ion li | 3.6 | Cao | 0 - 50 | Thấp | Có | Cao |
Kiềm | 1.5 | Cao | -18 - 55 | Cao | Không | Trung bình |
NiMH | 1.2 | Thấp | -20 - 65 | Thấp | Có | Cao |
tế bào tiền xu | 3 | Thấp | -30 - 60 | Cao | Không (thường) | Thấp |
LiSoCl2 | 3 | Cao | -80 - 125 | Rất cao | Không | Cao |
Khi lựa chọn pin đã được thực hiện, phải xác định điểm cắt. Đối với các hệ thống công suất cực thấp nói chung, cần hết sức thận trọng với các thành phần có hiệu suất thay đổi theo điện áp. Ví dụ: màn hình LCD và đèn LED có pin có thể giảm đến mức độ tương phản biến mất hoặc đèn LED tắt. Để có trải nghiệm người dùng tốt nhất, bạn phải đảm bảo rằng điện áp pin mà bạn làm việc ở mức đủ để duy trì hoạt động.
Nếu hệ thống yêu cầu điện áp đầu vào (khi đạt đến điểm giới hạn trong khi pin vẫn còn dung lượng khả dụng – ví dụ: nếu hệ thống 3V danh nghĩa bị cắt ở mức 2.5V), thì có thể cần có bộ điều chỉnh tăng áp. Có những thỏa hiệp để xem xét khi làm điều này mặc dù:
· Bộ điều chỉnh nên đặt ở điện áp nào?
· Hiệu quả của bộ điều chỉnh là gì và nó thay đổi như thế nào với điện áp đầu vào?
· Điều gì xảy ra khi điện áp đầu vào cao hơn điện áp cài đặt, tức là khi lắp pin mới?
· Điện năng bị lãng phí bởi cơ quan quản lý do hoạt động kém hiệu quả có làm mất đi bất kỳ lợi ích nào về công suất không?
· Bộ chuyển đổi tăng cường có thể sử dụng hết dung lượng của pin bằng cách rút cạn pin xuống mức điện áp thấp hơn mức mà hệ thống sẽ tắt không?
Thiết kế phần cứng
Giảm thiểu việc kéo lên và các mẹo thiết kế khác
Công suất thấp Thiết kế hệ thống vô tuyến không dây cần chú ý đến các chi tiết dễ bị bỏ qua trong các thiết bị có mức tiêu thụ điện năng không quan trọng.
Với các hệ thống được cấp nguồn chính, bình thường, bạn không phải lo lắng về các yếu tố như rò rỉ dòng điện qua các điện trở kéo lên. Trong các hệ thống công suất thấp, mức tiêu thụ điện năng đó có thể trở thành một vấn đề. Đó là nơi mà một số thỏa hiệp xảy ra:
Chỉnh ăng-ten
Ngay cả khi phạm vi là quan trọng trong thiết kế, hãy nhớ điều chỉnh ăng-ten. Khi làm như vậy, các kỹ sư có thể giảm thiểu công suất truyền tải cần thiết để đạt được phạm vi mong muốn.
Phản hồi và thời gian thức
Một thiết bị không dây công suất thấp phải nhanh chóng đạt đến trạng thái 'hữu ích'. Khoảng thời gian từ khi người dùng chạm vào màn hình đến khi hệ thống phản hồi là thời gian đèn nền của bạn bật và sử dụng nguồn, có khả năng làm chậm thời gian phản hồi. Thường có một hoặc nhiều thành phần dành riêng để đánh thức bộ vi xử lý chính và chỉ đơn giản là tắt thiết bị không phải là một phương pháp hữu ích để tiết kiệm pin.
đồng bộ hóa
Nhiều thiết bị vô tuyến công suất thấp giao tiếp với nhau để nhận dữ liệu hoặc hướng dẫn. Để điều này xảy ra, điều cần thiết là người nhận phải bật để nhận thông tin. Cả hai đầu phải được đồng bộ hóa và luôn đồng bộ hóa, nhưng chúng tôi khuyên bạn nên giảm thiểu việc sử dụng bộ thu cần thiết cho việc này.
Trong các hệ thống mà hai thiết bị sử dụng pin đang giao tiếp, cả hai sẽ chuyển sang chế độ điện năng thấp / ngủ để duy trì tuổi thọ pin. Vì vậy, dữ liệu không được đảm bảo sẽ được thông qua hoặc được nhận mà không bị gián đoạn, do đó, nhiều giao thức khác nhau, như phát hiện lỗi và xác nhận, đã được phát triển để chống lại điều này.
Cẩn thận với sự thay đổi nhiệt độ
Mỗi thiết bị đang hoạt động trong hệ thống sử dụng một số loại đồng hồ. Chúng có thể trôi theo nhiệt độ, có nghĩa là điều quan trọng cần lưu ý là các yếu tố môi trường có thể dẫn đến sự khác biệt về thời gian giữa các thiết bị đang hoạt động. Điều quan trọng là phải tính đến độ lệch khi thiết kế hệ thống vì nó có thể dẫn đến việc tăng mức tiêu thụ năng lượng của pin.
Giảm thiểu công suất TX
Không tăng công suất đầu ra một cách không cần thiết vượt quá mức cần thiết - nếu liên kết vô tuyến chỉ phải đạt đến mười mét, thì công suất đầu ra 5dB không chắc là cần thiết.
Xung truyền ngắn
Khi bật máy phát, đài công suất thấp sẽ ở trạng thái công suất tối đa. Vì vậy, nó là hợp lý để giảm thiểu điều đó vào thời gian. Điều này có nghĩa là giảm lượng dữ liệu được truyền đi.
Để giảm thiểu thời gian của người nhận, trọng tâm là lượng dữ liệu cần truyền và nội dung được liên lạc. Nếu hệ thống cần được bật liên tục, thì thời gian n máy thu có thể được giảm thiểu vì kỹ sư đã biết rằng hệ thống đang bật và có thể truyền bất cứ lúc nào.
Hệ thống vô tuyến đang cập nhật
Có hai cách để cập nhật hệ thống vô tuyến: Theo cách thủ công, bao gồm việc đi vào từng thiết bị và cập nhật, và qua mạng (OTA), trong đó radio tự cập nhật mã bên trong thiết bị. Các bản cập nhật OTA nhìn chung hiệu quả hơn nhiều, tuy nhiên, có nhiều khả năng xảy ra sự cố. Do đó, két bị hỏng rất quan trọng trong việc đảm bảo rằng hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động.
Kiểm tra hàng loạt
Với các thiết bị năng lượng thấp hoạt động bằng pin, bạn có thể chỉ hoạt động dưới giới hạn hiệu suất của thành phần. Với các thiết bị đang hoạt động như FET, nơi bạn phụ thuộc vào sự sụt giảm điện áp thấp, sẽ luôn có sự khác biệt về đặc tính của thiết bị có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.
Kiểm tra hàng loạt là điều đáng giá để đảm bảo bất kỳ biến thể nào sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Để tránh những khó khăn trong quá trình sản xuất hàng loạt, bạn nên mô phỏng một số khía cạnh thiết kế đơn giản hơn bằng cách sử dụng trình mô phỏng SPICE, chẳng hạn như nhiệt độ và điện áp.
Và hãy nhớ rằng - trải nghiệm và kỳ vọng của người dùng là những yếu tố quan trọng cần cân nhắc. Một kỹ sư có thể thiết kế một hệ thống tiêu thụ điện năng thấp tuyệt vời nhưng không làm hài lòng người dùng cuối bởi vì họ có thể mong đợi nó phản hồi nhanh hơn rất nhiều so với thực tế. Đây là nơi mà hành động cân bằng thực sự xảy ra, nhưng với các công nghệ sẵn có và các kỹ sư giàu kinh nghiệm, việc thỏa hiệp là hoàn toàn có thể.
(Ảnh chụp bởi Mike Baumeister on Unsplash)
Bạn muốn tìm hiểu thêm từ các giám đốc điều hành và các nhà lãnh đạo tư tưởng trong không gian này? Tìm hiểu thêm về Thế giới đôi kỹ thuật số sự kiện diễn ra vào ngày 8-9 tháng 2021 năm XNUMX, sẽ khám phá sâu hơn các kết quả kinh doanh tăng cường và các ngành sẽ được hưởng lợi.
Nguồn: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/save-power-in-low-power-wless-radio-systems/
- 2021
- Tài khoản
- hoạt động
- Tất cả
- ăng ten
- bài viết
- pin
- ắc quy
- BEST
- Tỷ
- Bluetooth
- bảng
- kinh doanh
- cambridge
- Sức chứa
- khách hàng
- mã
- Coin
- Chung
- tiêu thụ
- tiếp tục
- Current
- dữ liệu
- Thiết kế
- nhà thiết kế
- Phát hiện
- phát triển
- Thiết bị (Devices)
- Giám đốc
- khoảng cách
- Rơi
- hiệu quả
- Thiết bị điện tử
- kết thúc
- ky sư
- Kỹ Sư
- Kỹ sư
- Môi trường
- môi trường
- Sự kiện
- giám đốc điều hành
- NHANH
- Hình
- Tên
- phù hợp với
- Tập trung
- fpga
- Tổng Quát
- Toàn cầu
- Cao
- Độ đáng tin của
- HTTPS
- Bao gồm
- Tăng lên
- các ngành công nghiệp
- ngành công nghiệp
- thông tin
- những hiểu biết
- iốt
- thiết bị iot
- IT
- Key
- lớn
- dẫn
- Cấp
- Hạn chế
- LINK
- tải
- nhà chế tạo
- Mạng lưới
- mạng
- Cung cấp
- hoạt động
- Các lựa chọn
- gọi món
- Nền tảng khác
- Khác
- hiệu suất
- quyền lực
- áp lực
- Sản lượng
- dự án
- radio
- phạm vi
- giảm
- phản ứng
- tiết kiệm
- Màn
- ý nghĩa
- Loạt Sách
- định
- ngắn
- mô phỏng
- Chậm
- nhỏ
- So
- Không gian
- tốc độ
- Chi
- Tiểu bang
- ở lại
- thành công
- hỗ trợ
- Công tắc điện
- hệ thống
- hệ thống
- Công nghệ
- Kiểm tra
- thời gian
- đi du lịch
- trường đại học
- Cập nhật
- Cập nhật
- bước sóng
- Là gì
- Wi-fi
- không dây
- ở trong
- Công việc
- giá trị