Hogyan növelhető egy beágyazott rendszer akkumulátorának élettartama
Amikor fogyasztóként egy akkumulátoros eszközt vásárolunk, az egyik legfontosabb mérőszám, amit elsőként ellenőrzünk, hogy meddig bírja egy feltöltéssel. Az akkumulátor élettartama a viselhető eszközök területén is kulcsfontosságú értékesítési szemponttá vált, és hasonló a helyzet az egyre gyorsuló ütemben terjedő ipari IoT-érzékelők és hasonló alkalmazások esetében is.
A működési idő meghosszabbítása nem oldható meg egyszerűen egy nagyobb akkumulátor használatával, a fizikai megjelenésnek egyaránt vannak praktikus és stílusbeli korlátai. A beágyazott rendszereket tervező mérnökök alaposan meg kell ismerjék alkalmazásaik energiafogyasztási profilját, hogy teljes mértékben és valós időben legyenek képesek felmérni annak energiaigényét, valamint az azt befolyásoló tényezőket. Írásunkban az IIoT-érzékelők energiafogyasztási profiljának mérésére, és azokra a gyakorlati lépésekre koncentrálunk, amelyeket a mérnökök a fogyasztás csökkentése érdekében megtehetnek.
Akkumulátorokról működő világunk
Otthoni használat esetén legfeljebb némi kényelmetlenséget okoz, ha egy vezeték nélküli termosztátban vagy mozgásérzékelőben elemet kell cserélnünk. Pár percnél többet nem vesz igénybe és minimális költséggel jár. Legtöbb esetben maga a készülék jelzi számunkra egy okostelefonos alkalmazáson keresztül, hogy az eleme cserére szorul. Az védelmünket szolgáló eszközök esetében, mint például egy füstérzékelő, az értesítés segít az eszközt működésben tartani, és így megakadályozni a halálos kimenetelű baleseteket.
Képzeljük el azonban, hogy ugyanezt több ipartelepen, ipari érzékelők százaival kell megtennünk. Bár az egyes eszközök akkumulátorának cseréje ebben az esetben is mindössze pár percet vesz igénybe, a telephelyek megközelítése, az adott érzékelő megtalálása, és a következő érzékelőhöz való eljutás költséges, teljes munkaidős feladattá válhat. Az úgynevezett „truck roll” jelenség a telepített IIoT-eszközök egyik rejtett és költséges aspektusa.
A gyakori akkumulátorcserék jelentette költségek csökkentése érdekében fontos, hogy az akkumulátorral működő eszközök gyártói tisztában legyenek termékeik működés közbeni energiafogyasztásával. Ez alapján megbecsülhető a várható akkumulátor-üzemidő. Ez a megközelítés egyben az első kulcsfontosságú lépés az akkumulátorok alternatív energiaforrással történő helyettesítése felé.
Egy ilyen példa az energiabegyűjtő technikák alkalmazása és az energia szuperkondenzátorokban történő tárolása. Az energiagyűjtés lehetséges forrásai például a vibráció, a napfény vagy a hő. Az eszközök energiafogyasztási profiljának és működési folyamatainak alapos elemzése segít meghatározni, hogy kinyerhető és tárolható-e a normál működéshez szükséges energiamennyiség.
Egy tipikus, akkumulátorral működtetett szenzor felépítése
Az 1. ábrán egy vezeték nélküli kapcsolattal ellátott, akkumulátorral működő hőmérséklet- és páratartalom-érzékelő funkcionális felépítése látható. Ez a kialakítás jellemző a különböző környezeti paraméterek mérésére és jelentésére szolgáló IIoT-eszközök esetében.
1. ábra Egy tipikus IoT/IIoT-érzékelő egyszerűsített funkcionális felépítése (Forrás: Mouser)
Az eszközt működtető mikrokontroller (MCU) a következő lépéseket hajtja végre ciklikusan:
- alvó üzemmódból történő felébredés,
- a hőmérsékleti és pártartalom-értékek lekérdezése az érzékelőegységektől,
- az érzékelők adatainak átalakítása az üzenetküldéshez használt protokoll formátumába,
- a vezetéknélküli eszköz adóvevő egysége kapcsolatot létesít egy vezetéknélküli hozzáférési ponttal,
- az adatok átküldésre kerülnek a kiszolgálórendszerhez,
- az eszköz visszaállítása alvó üzemmódba.
Az akkumulátoros tápellátás szabályozását és átalakítását egy teljesítményvezérlő IC (PMIC) végzi, további áramkörök pedig az olyan feladatokat látják el, mint a feszültség és az áramerősség mérése. Az ezek által biztosított adatok az érzékelőadatokkal egybecsomagolhatók és elküldhetők a kiszolgálóalkalmazás számára.
A nagy integráltságú egylapkás (system-on-chip – SoC) vezeték nélküli mikrokontrollerek az 1. ábrán kiemelt funkciók többségét magukban foglalják. Egy példa erre a Nordic Semiconductor nRF9160 celluláris egytokos rendszere (system-in-package – SiP) – lásd a 2. ábrát.
2. ábra Nordic nRF9160 nagy integráltságú celluláris vezeték nélküli adóvevő-mikrokontroller SiP (Forrás: Nordic Semiconductor)
Komplett eszközök tervezéséhez csupán az érzékelőkre és a kapcsolódó jelfeldolgozó egységekre van szükség. Az eszköz adatlapja feltünteti a mikrokontroller és a vezeték nélküli adóvevő egyedi, a különböző alvó üzemmódokra jellemző energiafogyasztási jellemzőit. A 3. ábrán az MCU tipikus áramfelvétele látható különböző állapotokban, aminek értékei 0,1 µA és 600 µA között változnak.
3. ábra A Nordic nRF9160 MCU áramfelvétele különböző alvó üzemmódokban (Forrás: Nordic)
A vezeték nélküli adóvevő egység önállóan vezérelt, ami lehetőséget biztosít a fogyasztási profiljának kezelésére. Például a beágyazott firmware gondoskodhat arról, hogy az egység csak akkor legyen bekapcsolva, amikor arra szükség van. Ezalatt az MCU más perifériái alvó üzemmódba kerülhetnek, így csökkentve a teljes fogyasztási profilt.
Az energiafogyasztás mérésének kihívásai és erőforrásai
Egy érzékelő akkumulátoros üzemidejének megbecsüléséhez az eszköz áramfogyasztásának alapos elemzése szükséges. Azt követően, hogy sikerül egy átlagos fogyasztási értéket megállapítani, a fejlesztők számos eljárással próbálhatják növelni a megbecsült üzemidőt. Ezek a technikák például a következők lehetnek:
- az MCU és a vezeték nélküli adóvevő működésének gondos sorbaállítása,
- az éppen nem szükséges perifériák kikapcsolása,
- az eszköz működési ciklusának megváltoztatása,
- különböző alvó üzemmódok kipróbálása,
- az MCU órajelének lassítása az adatfeldolgozási periódusokon kívül.
Ez a mérési pontosság ilyen nagy dinamikatartomány esetén nagyon összetett feladat, ami meghaladja egy tipikus asztali digitális multiméter lehetőségeit.
Az áramerősséget általában Ohm törvényét alkalmazva számítják ki, a feszültségesés egy mellékellenálláson történő mérésével. A söntellenálláson mért feszültségesés (ezt nevezzük terhelési feszültségnek) csökkenti a terhelés által biztosított feszültséget. Az alacsony µA tartományú áram érzékeléséhez és pontos méréséhez a terhelési feszültségnek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy a digitális multiméter mérni tudja, de ne csökkentse annyira a tápfeszültséget, ami a vizsgált eszköz rendellenes működését okozná. Ezt a problémát tovább bonyolítja a vizsgált eszköz működésének dinamikus jellege, ami azonnali változásokat jelent a legalacsonyabb µA-es tartományból a mA-es értékekig. Az egylapkás rendszerek tipikus 1,8 V-os vagy 3,3 V-os tápsínjei esetében a terhelési feszültség dinamikus változása a vizsgált eszköz brown-out resetelését eredményezné működés közben.
Egyes elérhető precíziós digitális multiméterek képesek megfelelni ennek a különleges elvárásnak, azonban ezek meglehetősen költséges eszközök, ráadásul relékapcsolást használnak a söntellenállások értékeinek változtatásához. A kapcsoláshoz szükséges idő azonban még a szilárdtest-kapcsolók esetében is a mérés részletességének és pontosságának csökkenését eredményezi.
A nagy dinamikatartományú árammérés jelentette kihívások megoldására a gyártók kifejlesztettek olyan teljesítményprofilozó eszközöket, amelyek képesek a fogyasztást valós időben, pontosan mérni és rögzíteni. Ilyen eszközök például a Nordic Power Profiler Kit 2 (PPK) és Qoitech Otti Arc.
Power Profiler 2
Az USB-tápellátással működő Nordic Semiconductor Power Profiler Kit 2 mérési képessége 200 nA-től 1 A-ig terjed, a mérési tartománytól függően 100 nA és1 mA felbontással. Forrásüzemmódban is működhet, ilyenkor feszültséget szolgáltat a vizsgált eszköz számára, illetve ampermérő üzemmódban, amikor kizárólag az áram mérését végzi. A PPK szoftveresen konfigurálható kimenete 0,8 VDC és 5 V közötti feszültséget képes biztosítani, maximum 1 A-ig.
4. ábra A Nordic Semiconductor Power Profiler 2 (Forrás: Nordic Semiconductor)
Valós idejű árammérési képessége 100 000 mintavétel másodpercenként (100 kS/s), az optimális felbontás fenntartása érdekében automatikusan vált az öt árammérési tartomány között.
A számítógépen futó Nordic Power Profiler alkalmazás a PPK-hoz csatlakozik, kezelőfelületén elvégezhető a PPK konfigurálása, és biztosított a mérési adatok rögzítése. Az 5. ábra egy valós idejű képernyőfelvételt szemléltet.
5. ábra Képernyőfelvétel a valós idejű árammérést végző Power Profiler alkalmazásról (Forrás: Nordic)
A mintavételezési felbontás 100 kS/s-ról 1 S/s-ra történő csökkentése a maximális adatrögzítési időszakot hét percről 500 napra növeli.
A PPK2 egy sor digitális GPIO-csatlakozóval is rendelkezik, amelyek alkalmasak a vizsgált eszközhöz való csatlakozásra, a vezérlési funkciók szekvenálása érdekében. Logikai elemzőeszköz csatlakoztatásával az árammérés lépésenként szinkronizálható a vizsgált eszköz alkalmazáskódjával.
Qoitech Otti
A Qoitech Otti Arc (lásd a 6. ábrát) egy kompakt, hordozható és sokoldalú teljesítményelemző eszköz, amely nyolc nagyságrendben képes méréseket végezni, 50 nA-es felbontástól felfelé a néhány tíz nanoampertől 5 A-ig.
6. ábra A Qoitech Otti Arc precíziós kisáramú mérőegység (Forrás: Qoitech)
Az Otti Arc állandó feszültséget vagy áramot biztosító áramforrásként vagy áramelnyelőként is konfigurálható. Az áramelnyelő mód lehetővé teszi különböző akkumulátorok és alkalmazási forgatókönyvek emulálását és profilozását, maximum 2 m 5 A-ig. Az Arc mintavételezés sebessége 4 kS/s. Tápellátása biztosítható a számítógép USB-portjáról és külső tápegységről egyaránt.
Az Otti Arc szoftvere minden szükséges funkciót tartalmaz, ami az árammérő forrás- és elnyelő üzemmódjának konfigurálásához, illetve a vizsgált eszköz áramfelvételének rögzítéséhez szükséges. A 7. ábrán egy képernyőfelvétel látható.
7. ábra Az Otti Arc asztali számítógépekre szánt szoftvere elérhető Ubuntu Linux, Microsoft Windows és Apple macOS rendszerekre (Forrás: Qoitech)
Az előlapon található GPIO-csatlakozók használatával lehetővé válik a logikai állapotok nyomon követése és a vizsgált eszköz működésének vezérlése a különböző elemzések elvégzéséhez.
A tervezett eszközök teljesítményprofilozása
Az akkumulátorok élettartamának maximalizálásához szükséges az eszköz áramfogyasztási profiljának teljes megértése. Az átlagos fogyasztás jó kiindulási alap az akkumulátor várható üzemidejének becsléséhez, azonban a fogyasztási csúcsértékek jelentősen befolyásolják a működés közbeni átlag alakulását. Az eszköz firmware-jének optimalizálása előtt szükséges a fogyasztási profil létrehozása az eszköz teljes működési ciklusa alapján. Az írásunkban bemutatott két eszköz alkalmas nagy dinamikatartományban változó, rendkívül alacsony áramértékek pontos mérésére. A mért adatokat eltárolják, és az eszköz firmware-jének működésével szinkronizálva egy idővonalon ábrázolják azokat. Ilyen részletes információk birtokában a beágyazott rendszerek fejlesztői és a hardvermérnökök képesek a kód átvizsgálásával felmérni, van-e lehetőség a csúcsfogyasztási értékek csökkentésére.
Szerző: Mark Patrick –
Mouser Electronics
Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU
