magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Arrow lidEz a cikk azt vizsgálja, hogyan lehet a tárgyak internete (IoT) eszközeit energiatakarékosabbá tenni. A vizsgálat az akkumulátormenedzsment gyors felfrissítésével kezdődik, mielőtt a nanopower-szállítási üzemmód (ship mode) és az alvó üzemmód kritikus szerepére összpontosítana. Végül egy olyan új megoldást mutat be, amely jobban optimalizálja az akkumulátormenedzsment e két aspektusát – ami a hagyományos módszerekhez képest csökkenti az energiafogyasztás szintjét és az elfoglalt helyet.

 

Az internet összekapcsolt világában a tárgyak internete döntő szerepet játszik a különböző érzékelő-csomópontok összekapcsolásával és az adatok biztonságos szerverre történő továbbításával. Az IoT-alkalmazás hatékonyságának növelése érdekében az energiagazdálkodás az egyik kiemelt terület.
A legtöbb alkalmazásban az érzékelő-csomópont (adatgyűjtő elem) egy távoli területen helyezkedik el, és akkumulátorról kapja az áramellátást. Az akkumulátor élettartama attól függ, hogy milyen hatékonyan tervezzük meg az érzékelő-csomópont energiaellátási stratégiáit. Az érzékelő-csomópont legtöbbször alvó üzemmódban marad, és csak akkor kapcsol aktív üzemmódba, amikor adatgyűjtésre van szükség. Ezeknek az eszközöknek az üzemi ciklusa alacsony. Az akkumulátor élettartamának maximalizálása érdekében javítanunk kell az IoT-alkalmazások alvóáramát.

 

Az IoT-eszközök energiagazdálkodásának alapjai

Az 1. ábrán látható tipikus IoT-rendszerben a vezeték nélküli érzékelő-csomópontok többnyire akkumulátorral működnek, így az akkumulátor élettartama természeténél fogva korlátozott. Az érzékelő-csomópont élettartamának maximalizálása érdekében az energiagazdálkodás kulcsfontosságú. Az érzékelő-csomópontok energiatakarékosságának általános gyakorlata a munkaciklus-koncepció. Mivel a túlfűtés és a tétlen hallgatás az érzékelő-csomópont energiapazarlásának fő forrásai, a vezeték nélküli érzékelő-csomópont energiafogyasztását három különböző terület segítségével értékelhetjük:

  • Érzékelő
  • Mikrokontroller
  • Rádióműködés

Az érzékelő összegyűjti a nyers adatokat, például a hőmérsékletet és a páratartalmat, majd elküldi ezeket a mikrokontrollernek. A mikrokontroller feldolgozza a nyers adatokat, és rádiókapcsolat segítségével továbbítja ezeket a felhőbe vagy az adatközpontba. Tekintettel azonban arra, hogy a tipikus érzékelőalkalmazások nagyon alacsony (0,01% és 1% közötti) munkaciklusokkal működnek, és az idő nagy részében üresjáratban vannak, egy olyan energiagazdálkodási rendszer elfogadása, amelyben az érzékelő-csomópontok alvóáramának értéke rendkívül alacsony, megőrzi az akkumulátor élettartamát. Ilyen alkalmazás például az intelligens öntözőrendszer, ahol az érzékelő-csomópont a talajnedvességet méri, és óránként csak egyszer gyűjt adatokat.

 

435379 fig 01

1. ábra Egy IoT-rendszer tipikus építőelemei

 

 

Mi a szállítási üzemmód és az alvó üzemmód
kritikus szerepe?

A szállítási üzemmód (ún. „ship mode” – a szállításhoz beállított „zero” fogyasztási mód, ami hardveresen oldható fel) és az alvó üzemmód az akkumulátorral működő IoT-eszközökben használt általános szakkifejezések, és az IoT-alkalmazások energiagazdálkodásának kulcsfontosságú szempontjai. A szállítási üzemmód egy nanoteljesítményű állapot, amely meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát a termék szállítási szakaszában. A szállítási üzemmódban az akkumulátor elektromosan le van választva a rendszer többi részétől, hogy minimalizálja az áramfelvételt, amíg a termék üresjáratban van vagy nem használják. A szállí­tási üzemmód feloldására és a készülék normál működésének elindítására nyomógombok szolgálnak.
Amint a készülék aktív állapotba kerül, az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében alvó üzemmódot használnak. Alvó üzemmódban a rendszer összes perifériája vagy leáll, vagy a minimális energiaigénnyel működik. Az IoT-eszközök időszakosan felébrednek, elvégzik az adott feladatot, majd visszatérnek alvó üzemmódba.
A különböző alvó üzemmódok a vezeték nélküli érzékelő-csomópont különböző perifériáinak letiltásával érhetők el. Például a modem alvó üzemmódjában csak a kommunikációs blokkok vannak letiltva. A könnyű alvó üzemmódban a legtöbb blokk – beleértve a kommunikációs blokkot, az érzékelő blokkot és a digitális blokkokat – le van tiltva, a mélyalvó üzemmódban pedig a vezeték nélküli érzékelő-csomópont teljesen kikapcsol.
A mélyalvó üzemmód engedélyezése az érzékelő-csomópontban maximalizálhatja az akkumulátor élettartamát; ezért a mélyalvó áram optimalizálása az egyetlen módja a teljes akkumulátor-élettartam javításának.

 

A kitöltési tényező egy módszer
a mélyalvó üzemmód engedélyezéséhez
az IoT-alkalmazásokban

Az IoT-modulban a mélyalvó üzemmód engedélyezésének egyik népszerű technikája az üzemmódváltás. Amíg egy vezeték nél­küli érzékelő-csomópont mélyalvó üzemmódban van, a legtöbb periféria kikapcsolt állapotban vagy kikapcsolt üzemmódban van, és csak nanoamper áramot fogyaszt. Egy időmérő eszköz, például a valós idejű óra (RTC) egy beprogramozott időkorlát után felébreszti az IoT-modult. Ennél a technikánál a mikrokontroller teljesen kikapcsol, miközben a rendszer mélyalvó üzemmódban van. A felébresztés után azonban mindig van egy indítási bootolási idő, amely nemkívánatos késleltetést jelent. Tekintettel erre a kompromisszumra, a javasolt elv hatása az egyes csomópontok jellemzőitől és az alkalmazás működési ciklusától függ.

 

A hagyományos megoldás
a mélyalvó üzemmódra és a szállítási üzemmódra:
RTC, terheléskapcsoló és nyomógombos
vezérlő használata

A hagyományos megoldásban egy terheléskapcsolót és egy RTC-t használnak a vezeték nélküli érzékelő-csomópont be- és kikapcsolására. Ebben a megközelítésben csak a terheléskapcsoló és az RTC aktív, ami a teljes nyugalmi áramot nanoamperre csökkenti. Az alvási idő a vezeték nélküli érzékelő-csomópontban lévő mikrokontrollerrel programozható.
Egy külső nyomógombos vezérlő csatlakoztatható a terheléskapcsolóhoz a szállításüzemmód-funkció engedélyezéséhez. A külső nyomógomb kilép a szállítási üzemmódból, és a vezeték nélküli érzékelő-csomópont normál működésbe lép.

 

435379 fig 02

2. ábra Egy diszkrét megoldás blokkdiagramja

 

 

Továbbfejlesztett megoldás a mélyalvó
és a szállítási üzemmódhoz

A MAX16163/MAX16164 az Analog Devices nanopower-vezérlői be/ki vezérlőkkel és programozható alvási idővel. Az eszközök egy teljesítménykapcsolót integrálnak egy kimenet kapuzásához, amely akár 200 mA terhelési áramot is biztosít. A MAX16162/MAX16163 kiválthatja a hagyományos terheléskapcsoló, RTC és akkumulátorfrissítő IC-ket a BOM-szám és a költségek csökkentése érdekében. A vezeték nélküli érzékelő-csomópont-egység a MAX16162/MAX16163-on keresztül csatlakozik az akkumulátorhoz. Az alvási idő a mikrokontrollerrel programozható, vagy beállítható a PB / SLP-től a földhöz egy külső ellenállással vagy a mikrokontroller I2C parancsával. A külső nyomógomb az eszköz szállítási üzemmódjából való kilépésre szolgál.

 

435379 fig 03

3. ábra Integrált megoldás a MAX16163 használatával

 

 

A megoldás teljesítményének összehasonlítása

A két rendszer teljesítményének összehasonlítása az IoT-alkalmazás működési ciklusától függ. Egy kis munkaciklusú alkalmazásnál az alvóáram azt méri, hogy a rendszer mennyire hatékony, amikor az IoT-eszköz fut, a kikapcsolási áram pedig a szállítási mód energiafogyasztását. A megoldás üzemmódjának bemutatásához az iparág legkisebb nyugalmi áramú RTC MAX31342, az akkumulátor-frissességzáró MAX16150 és a TPS22916 apró terheléskapcsolóját választottuk. Az RTC-t I2C kommunikációval programozzuk, amely beállítja az IoT-alkalmazás alvási idejét, és amikor az időzítő lejár, a megszakítási jel lehúzza a MAX16150 PBIN csapját, amely magasra állítja az OUT-ot, és bekapcsolja a terheléskapcsolót. Az alvási idő alatt csak a TPS22916, a MAX31342 és a MAX16150 fogyasztja a hálózati rendszer teljesítményét.

 

Table 1

1. táblázat A hagyományos megoldás különböző blokkjainak áramfogyasztása

 

435379 fig 04

4. ábra A diszkrét megoldás sematikus ábrája

 


A kísérletben a két legmodernebb technológia élettartamát értékeljük rögzített munkaciklusok mellett, összehasonlítva a hagyományos megoldás és a MAX16163 használatával továbbfejlesztett megoldás teljesítményét.
Az akkumulátor élettartama az átlagos terhelési áram és az akkumulátor kapacitása alapján számítható ki.

 

435379 eq 01

 

Az átlagos terhelési áram kiszámítható a rendszer működési ciklusának felhasználásával.

 

435379 eq 02

 

435379 eq 03 

 

Az aktív áram a rendszeráram, amikor a vezeték nélküli érzékelő-csomópont aktív. A két megoldás összehasonlításához tegyük fel, hogy a rendszer kétóránként egyszer felébred, elvégzi az adott feladatot, és utána alvó üzemmódba lép. A rendszer aktív árama 5 mA. Az akkumulátor élettartama a műveleti ciklus függvénye. Az 5. ábra a két rendszer akkumulátor-élettartamának grafikonját mutatja különböző, 0,005% és 0,015% között változó munkaciklusokkal.

 

435379 fig 05

5. ábra Az akkumulátor élettartamát és a vezeték nélküli érzékelő-csomópontok működési ciklusát bemutató grafikon

 

Table 2

2. táblázat Két különböző megoldás összehasonlítása

 


Összefoglalva, ez a cikk az akkumulátorok energiagazdálkodásának kritikus szerepével foglalkozott az IoT-eszközök robbanásszerűen növekvő világában. Bemutatta, hogy a szállítási és az alvó üzemmód optimalizálása az egyik legjobb módja az akkumulátorhatékonyság javításának. Az ADI MAX16163 megoldása lehetővé teszi az ezen funkciókat pontosabban vezérlő tervezést. Az akkumulátor élettartamát körülbelül 20%-kal növeli (tipikus 0,007%-os munkaciklusú üzemmód esetén, ahogy az 5. ábrán látható), és a megoldás méretét 60%-kal csökkenti a hagyományos megközelítéshez képest.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

 

Szerző: Suryash Rai – Termékalkalmazási mérnök, Analog Devices

 

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer

E-mail: tbihari@arroweurope.com
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com