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

Minimalizacja zu偶ycia energii w sieciach sensorowych IoT - cz. 1

Projektanci takiej infrastruktury IoT napotykaj膮 na jeden zasadniczy problem: w jaki spos贸b zapewni膰 sieci odpowiednie zasilanie?
Wykorzystanie sieci energetycznej jest cz臋sto niemo偶liwe z racji du偶ego rozproszenia i trudnego umiejscowienia czujnik贸w a je偶eli nawet mo偶liwe, to zazwyczaj okazuje si臋 zbyt czasoch艂onne i kosztowne. Zatem konieczne staje si臋 stosowanie baterii. Trudno jednak wyobrazi膰 sobie wymian臋 baterii w wielu urz膮dzeniach rozmieszczonych na rozleg艂ym terenie jakim jest miasto czy kraj. Z punktu widzenia biznesu taka obs艂uga urz膮dze艅 mo偶e by膰 nieop艂acalna. W tym momencie kluczowe staje si臋 przed艂u偶enie 偶ywotno艣ci baterii albo znalezienie alternatywnego sposobu zasilania. Istnieje wiele r贸偶nych rodzaj贸w czujnik贸w, kt贸re s膮 w艂膮czone do sieci Internetu Przedmiot贸w: temperatura, wilgotno艣膰, ci艣nienie, itd. W domu, fabryce, w gospodarstwie, podstawow膮 funkcj膮 sieci czujnik贸w jest 艣ledzenie danych 艣rodowiskowych, takich jak temperatura i wilgotno艣膰, kt贸ry zmieniaj膮 si臋 bardzo powoli. Aby zmaksymalizowa膰 偶ywotno艣膰 baterii, czujnik zazwyczaj sp臋dza wi臋kszo艣膰 swojego czasu w trybie niskiego poboru energii "u艣pienia" i wzbudza si臋 okresowo, zgodnie z ustalonym harmonogramem. W okresie pracy, czujnik gromadzi dane i przesy艂a je bezprzewodowo do centralnego huba. Potem wraca do snu, a偶 do chwili kiedy nadszed艂 czas na kolejny pomiar. Zastan贸wmy si臋 zatem jak analizowa膰 zu偶ycie energii przez czujniki, jak zoptymalizowa膰 elementy i oprogramowanie, i jak to wszystko po艂膮czy膰 z najnowszymi technologiami pozyskiwania energii. Profil zasilania Najwa偶niejsz膮 cech膮 jak膮 projektanci urz膮dze艅 musz膮 sprawdzi膰 i zoptymalizowa膰 jest profil zasilania dla ich produkt贸w. Profil zasilania sk艂ada si臋 z:
  • dynamicznego zu偶ycia energii: urz膮dzenie jest wzbudzone i pracuje,
  • statycznego zu偶ycia energii: urz膮dzenie jest w stanie u艣pienia i nie wykonuj臋 偶adnej operacji.
Istniej膮 co najmniej trzy mo偶liwo艣ci, kt贸re mog膮 by膰 wykorzystane do zwi臋kszenia 偶ywotno艣ci baterii a tym samym zminimalizowa膰 ilo艣膰 potrzebnych wymian:
  • optymalizacja sprz臋towa zasilania,
  • optymalizacja programowa zasilania,
  • systemy zbierania energii.
Optymalizacja sprz臋towa zasilania: mikrokontrolery Dla wielu projektant贸w optymalizacja poboru energii rozpoczyna si臋 od wyboru odpowiednich element贸w aktywnych i pasywnych. Jest to d艂uga i kosztowna droga, okupiona cz臋sto powstaniem wielu prototyp贸w. G艂贸wnymi elementami w bezprzewodowych sieciach sensorowych s膮:
  • mikrokontrolery,
  • interfejsy komunikacji bezprzewodowej,
  • czujniki i r贸偶ne uk艂ady scalone,
  • regulatory napi臋cia,
  • uk艂ady pami臋ci.
Dla projektu czujnika, elementem krytycznym, kt贸ry pobiera najwi臋cej energii jest mikrokontroler. Od niego nale偶y zacz膮膰 faz臋 optymalizacji. Obecnie mikrokontrolery wyst臋puj膮 w wielu r贸偶nych obudowach, rozmiarach i w r贸偶nej architekturze. Spo艣r贸d szeregu uk艂ad贸w na rynku, najlepszym rozwi膮zaniem dla rozwi膮za艅 IoT s膮 32-bitowe mikrokontrolery o architekturze ARM. Ze wzgl臋du na swoj膮 energooszcz臋dno艣膰 s膮 one najcz臋艣ciej wykorzystywanymi uk艂adami na 艣wiecie. Posiadaj膮 r贸wnie偶 dobre wsparcie techniczne od wielu producent贸w, co umo偶liwia powstanie solidnego i przeno艣nego oprogramowania na nich. Pod wzgl臋dem koszt贸w s膮 por贸wnywalne do uk艂ad贸w 8- lub 16-bitowych ale maj膮 intensywniej rosn膮cy ekosystem i spo艂eczno艣膰. Od firmy ARM projektanci dostali now膮 architektur臋 Cortex-M0+. Zosta艂a zaprojektowana specjalnie dla urz膮dze艅, kt贸rych nie mo偶na pod艂膮czy膰 do sieci energetycznej i musz膮 pracowa膰 zasilane z baterii. Cortex-M0+ daje mo偶liwo艣膰 projektowania ultra energooszcz臋dnych urz膮dze艅, gdzie w najg艂臋bszych stanach u艣pienia, wi臋kszo艣膰 element贸w zu偶ywa poni偶ej 1碌A. Pob贸r pr膮du w trybie u艣pienia jest bardzo wa偶ny, zw艂aszcza dla aplikacji, kt贸re charakteryzuje niski wsp贸艂czynnik wype艂nienia. Jednak dodatkowym kryterium wyboru uk艂adu powinien by膰 niski pob贸r pr膮du podczas pracy. Doskona艂ym przyk艂adem jest mikrokontroler firmy NXP - KL02 z rodziny Kinetis-L, w kt贸rym wykorzystano architektur臋 Cortex-M0+. Jest to niewielki uk艂ad o wymiarach 1,9 脳 2mm, posiadaj膮cy 14 wej艣膰/wyj艣膰. To idealne rozwi膮zanie dla sieci czujnik贸w, kt贸ra posiada komunikacj臋 radiow膮. Uk艂ad mo偶e by膰 zasilany napi臋ciem z zakresu 1,71 -3,6V i zawiera do 4KB RAM i 32KB pami臋ci flash. Dla sieci czujnik贸w, kt贸re wymagaj膮 wi臋cej wej艣膰/wyj艣膰 i wi臋cej pami臋ci RAM do przechowywania danych oraz lekkich system贸w czasu rzeczywistego (RTOS), mo偶na zastosowa膰 uk艂ad STMicroelectronics - STM32L031K6T7. Posiada on 25 linii wej艣cia/wyj艣cia z 8KB pami臋ci RAM i 32KB pami臋ci flash. Poni偶ej wymieniono kilka wskaz贸wek i kryteri贸w, kt贸re nale偶y rozwa偶y膰 przy wyborze mikrokontrolera o niskim poborze mocy:
  • okre艣li膰 i mo偶liwie zminimalizowa膰 liczb臋 wej艣膰/wyj艣膰,
  • okre艣li膰 i mo偶liwie zminimalizowa膰 liczb臋 urz膮dze艅 peryferyjnych,
  • wybra膰 architektur臋 Cortex-M0+ lub bardzo podobn膮,
  • sprawdzi膰 czy wbudowano timer o niskim poborze pr膮du,
  • upewni膰 si臋, 偶e wbudowano kontroler bezpo艣redniego dost臋pu do pami臋ci DMA.
Optymalizacja sprz臋towa zasilania: uk艂ady pami臋ci i elementy pasywne Je艣li chodzi o optymalizacj臋 sprz臋tow膮 to mikrokontroler nie jest jedyn膮 cz臋艣ci膮, kt贸ra mo偶e by膰 wp艂yn膮膰 na pob贸r mocy. Nale偶y dok艂adnie przyjrze膰 si臋 pozosta艂ym elementom, kt贸re zu偶ywaj膮 energi臋 a tworz膮c pewn膮 ca艂o艣膰 znacz膮co wp艂ywaj膮 na 偶ywotno艣膰 u偶ytych baterii. Przyk艂adem mo偶e by膰 projekt, w kt贸rym zastosowano pami臋膰 EEPROM Microchip Technology 25LC160A. Producent w specyfikacji elementu podaje: pob贸r pr膮du w odczycie 6mA (5,5V @ 10MHz), dla zapisu - 3mA i czas zapisu 5ms. W nowszych uk艂adach FRAM pr膮dy odczytu nie s膮 nigdy ni偶sze ni偶 200碌A (1MHz). Mo偶e si臋 wydawa膰, 偶e 3mA to niedu偶o. Jednak maj膮c na uwadze, 偶e dane s膮 zapisywane i odczytywane z pewn膮 okre艣lon膮 cz臋stotliwo艣ci膮 przez kilka lat, to im mniejsze s膮 to warto艣ci tym wi臋cej zaoszcz臋dzamy energii. Czas zapisu do pami臋ci FRAM jest r贸wny czasowi transferu magistrali SPI. Opr贸cz sk艂adnik贸w aktywnych, projektanci powinni przeanalizowa膰 elementy bierne, kt贸re posiadaj膮 pr膮dy up艂ywu. Cz臋sto s膮 to diody, kondensatory i rezystory. Przy doborze element贸w pasywnych nale偶y pami臋ta膰 o kilku zasadach:
  • nale偶y unika膰 kondensator贸w aluminiowych, ze wzgl臋du na ich wysokie warto艣ci pr膮du up艂ywu,
  • pr膮d up艂ywu mo偶e by膰 zmniejszony poprzez zwi臋kszenie warto艣ci napi臋cia na kondensatorze,
  • minimalizacji pojemno艣ci zbiorczej na wyj艣ciach regulatora napi臋cia,
  • minimalizacja liczby kondensator贸w, ze wzgl臋du na sumowanie si臋 pr膮d贸w up艂ywu,
  • u偶y膰 mo偶liwie najwi臋kszej warto艣ci rezystor贸w podci膮gaj膮cych w celu zminimalizowania pr膮du up艂ywu,
  • unika膰 dzielnik贸w napi臋cia,
  • minimalizacja cz臋stotliwo艣ci prze艂膮czania w regulatorach.
Cz臋艣膰 II artyku艂u wkr贸tce Artyku艂 opublikowano dzi臋ki uprzejmo艣ci firmy DigiKey
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 21 2019 14:28 V12.2.5-1