reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 14 lutego 2017

Minimalizacja zużycia energii w sieciach sensorowych IoT - cz. 1

Projektanci takiej infrastruktury IoT napotykają na jeden zasadniczy problem: w jaki sposób zapewnić sieci odpowiednie zasilanie?
Wykorzystanie sieci energetycznej jest często niemożliwe z racji dużego rozproszenia i trudnego umiejscowienia czujników a jeżeli nawet możliwe, to zazwyczaj okazuje się zbyt czasochłonne i kosztowne. Zatem konieczne staje się stosowanie baterii. Trudno jednak wyobrazić sobie wymianę baterii w wielu urządzeniach rozmieszczonych na rozległym terenie jakim jest miasto czy kraj. Z punktu widzenia biznesu taka obsługa urządzeń może być nieopłacalna. W tym momencie kluczowe staje się przedłużenie żywotności baterii albo znalezienie alternatywnego sposobu zasilania.

Istnieje wiele różnych rodzajów czujników, które są włączone do sieci Internetu Przedmiotów: temperatura, wilgotność, ciśnienie, itd. W domu, fabryce, w gospodarstwie, podstawową funkcją sieci czujników jest śledzenie danych środowiskowych, takich jak temperatura i wilgotność, który zmieniają się bardzo powoli. Aby zmaksymalizować żywotność baterii, czujnik zazwyczaj spędza większość swojego czasu w trybie niskiego poboru energii "uśpienia" i wzbudza się okresowo, zgodnie z ustalonym harmonogramem. W okresie pracy, czujnik gromadzi dane i przesyła je bezprzewodowo do centralnego huba. Potem wraca do snu, aż do chwili kiedy nadszedł czas na kolejny pomiar.

Zastanówmy się zatem jak analizować zużycie energii przez czujniki, jak zoptymalizować elementy i oprogramowanie, i jak to wszystko połączyć z najnowszymi technologiami pozyskiwania energii.

Profil zasilania


Najważniejszą cechą jaką projektanci urządzeń muszą sprawdzić i zoptymalizować jest profil zasilania dla ich produktów. Profil zasilania składa się z:
  • dynamicznego zużycia energii: urządzenie jest wzbudzone i pracuje,
  • statycznego zużycia energii: urządzenie jest w stanie uśpienia i nie wykonuję żadnej operacji.


Istnieją co najmniej trzy możliwości, które mogą być wykorzystane do zwiększenia żywotności baterii a tym samym zminimalizować ilość potrzebnych wymian:
  • optymalizacja sprzętowa zasilania,
  • optymalizacja programowa zasilania,
  • systemy zbierania energii.



Optymalizacja sprzętowa zasilania: mikrokontrolery

Dla wielu projektantów optymalizacja poboru energii rozpoczyna się od wyboru odpowiednich elementów aktywnych i pasywnych. Jest to długa i kosztowna droga, okupiona często powstaniem wielu prototypów. Głównymi elementami w bezprzewodowych sieciach sensorowych są:
  • mikrokontrolery,
  • interfejsy komunikacji bezprzewodowej,
  • czujniki i różne układy scalone,
  • regulatory napięcia,
  • układy pamięci.

Dla projektu czujnika, elementem krytycznym, który pobiera najwięcej energii jest mikrokontroler. Od niego należy zacząć fazę optymalizacji.

Obecnie mikrokontrolery występują w wielu różnych obudowach, rozmiarach i w różnej architekturze. Spośród szeregu układów na rynku, najlepszym rozwiązaniem dla rozwiązań IoT są 32-bitowe mikrokontrolery o architekturze ARM. Ze względu na swoją energooszczędność są one najczęściej wykorzystywanymi układami na świecie. Posiadają również dobre wsparcie techniczne od wielu producentów, co umożliwia powstanie solidnego i przenośnego oprogramowania na nich. Pod względem kosztów są porównywalne do układów 8- lub 16-bitowych ale mają intensywniej rosnący ekosystem i społeczność.

Od firmy ARM projektanci dostali nową architekturę Cortex-M0+. Została zaprojektowana specjalnie dla urządzeń, których nie można podłączyć do sieci energetycznej i muszą pracować zasilane z baterii. Cortex-M0+ daje możliwość projektowania ultra energooszczędnych urządzeń, gdzie w najgłębszych stanach uśpienia, większość elementów zużywa poniżej 1µA.

Pobór prądu w trybie uśpienia jest bardzo ważny, zwłaszcza dla aplikacji, które charakteryzuje niski współczynnik wypełnienia. Jednak dodatkowym kryterium wyboru układu powinien być niski pobór prądu podczas pracy. Doskonałym przykładem jest mikrokontroler firmy NXP - KL02 z rodziny Kinetis-L, w którym wykorzystano architekturę Cortex-M0+. Jest to niewielki układ o wymiarach 1,9 × 2mm, posiadający 14 wejść/wyjść. To idealne rozwiązanie dla sieci czujników, która posiada komunikację radiową. Układ może być zasilany napięciem z zakresu 1,71 -3,6V i zawiera do 4KB RAM i 32KB pamięci flash. Dla sieci czujników, które wymagają więcej wejść/wyjść i więcej pamięci RAM do przechowywania danych oraz lekkich systemów czasu rzeczywistego (RTOS), można zastosować układ STMicroelectronics - STM32L031K6T7. Posiada on 25 linii wejścia/wyjścia z 8KB pamięci RAM i 32KB pamięci flash.

Poniżej wymieniono kilka wskazówek i kryteriów, które należy rozważyć przy wyborze mikrokontrolera o niskim poborze mocy:
  • określić i możliwie zminimalizować liczbę wejść/wyjść,
  • określić i możliwie zminimalizować liczbę urządzeń peryferyjnych,
  • wybrać architekturę Cortex-M0+ lub bardzo podobną,
  • sprawdzić czy wbudowano timer o niskim poborze prądu,
  • upewnić się, że wbudowano kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci DMA.



Optymalizacja sprzętowa zasilania: układy pamięci i elementy pasywne

Jeśli chodzi o optymalizację sprzętową to mikrokontroler nie jest jedyną częścią, która może być wpłynąć na pobór mocy. Należy dokładnie przyjrzeć się pozostałym elementom, które zużywają energię a tworząc pewną całość znacząco wpływają na żywotność użytych baterii.

Przykładem może być projekt, w którym zastosowano pamięć EEPROM Microchip Technology 25LC160A. Producent w specyfikacji elementu podaje: pobór prądu w odczycie 6mA (5,5V @ 10MHz), dla zapisu - 3mA i czas zapisu 5ms. W nowszych układach FRAM prądy odczytu nie są nigdy niższe niż 200µA (1MHz). Może się wydawać, że 3mA to niedużo. Jednak mając na uwadze, że dane są zapisywane i odczytywane z pewną określoną częstotliwością przez kilka lat, to im mniejsze są to wartości tym więcej zaoszczędzamy energii. Czas zapisu do pamięci FRAM jest równy czasowi transferu magistrali SPI.

Oprócz składników aktywnych, projektanci powinni przeanalizować elementy bierne, które posiadają prądy upływu. Często są to diody, kondensatory i rezystory. Przy doborze elementów pasywnych należy pamiętać o kilku zasadach:
  • należy unikać kondensatorów aluminiowych, ze względu na ich wysokie wartości prądu upływu,
  • prąd upływu może być zmniejszony poprzez zwiększenie wartości napięcia na kondensatorze,
  • minimalizacji pojemności zbiorczej na wyjściach regulatora napięcia,
  • minimalizacja liczby kondensatorów, ze względu na sumowanie się prądów upływu,
  • użyć możliwie największej wartości rezystorów podciągających w celu zminimalizowania prądu upływu,
  • unikać dzielników napięcia,
  • minimalizacja częstotliwości przełączania w regulatorach.


Część II artykułu wkrótce

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
April 25 2017 10:45 V8.0.12-2