A beágyazott rendszerek energiafogyasztásának vizsgálata

Egyre növekvő hangsúlyt kap a beágyazott rendszerek energiafogyasztási profiljának megértése. Például az IoT/IIoT-érzékelők éveken keresztül üzemelhetnek elemekről, ezért alapvető fontosságú tisztában lenni azzal, hogy mennyi ideig képes az eszköz alvó üzemmódban maradni úgy, hogy képes maradjon gyorsan reagálni egy eseményre.

Írásunkban egy tipikus vezeték nélküli eszköz energiaigényének kérdését járjuk körbe, és azt vizsgáljuk, milyen kihívásokkal szembesülnek a mérnökök az energiafogyasztás mérésével és az elemek élettartamának pontos előrejelzésével kapcsolatban.

Mennyi energiát használ a beágyazott rendszerem?

Ahogyan az IoT/IIoT egyre többfelé terjeszkedik – mind az alkalmazások sokfélesége, mind külső helyszínekre történő telepítés tekintetében –, úgy válik az elemekről történő energiaellátás egyre inkább általános megoldássá. Mérnöki szempontból az elemek alkalmazása kényelmes megoldást kínál az energiaellátás problémájára. Kihívást jelent azonban pontosan tudni, hogy mekkora elemkapacitásra van szükség az eszköz egy adott időtartamra történő energiaellátásához. A gombelemek képesek elég energiát biztosítani egy ultraalacsony teljesítményű érzékelő akár évekig történő működtetéséhez, azonban előbb-utóbb elkerülhetetlenné válik a cseréjük. Az elemek költsége csupán töredéke a kicserélésükhöz szükséges utazási és élőmunkaköltségnek, ezért több száz eszköz folyamatos felügyelete nem fenntartható. Újratölthető akkumulátorok használata és az azokhoz kapcsolható energiagyűjtési technológiák telepítése (például napelempanel felszerelése) komoly segítséget jelenthet, azonban hatással van az eszköz fizikai méretére.
Az eszközök energiafogyasztási profiljának pontos megismerése kritikus fontosságú szempont az elemek élettartamának, illetve a kapacitásigény megbecsülésében. Az energiafogyasztási profil sokkal inkább egy dinamikus, semmint egy folyamatos jellemző, kiugró áramértékekkel és alacsony fogyasztási periódusokkal. Egyes elemtípusok kémiai kialakításuknál fogva kevésbé képesek a csúcsteljesítményeket követő stabilizálódásra, ezért kulcsfontosságú annak kiderítése, hogy mi okozza ezeket a fogyasztási kiugrásokat.
Azt követően, hogy sikerült azonosítani a teljesítménycsúcsok és a nyugalmi időszakok okait, megkezdődhet a csökkentésükre szánt lépések megtétele, amelyek között olyan szoftveres megoldások is szerepelhetnek, mint például a mikrokontroller alvó üzemmódba állítása, illetve az egyes feladatok ütemezésének megváltoztatása.

Beágyazott rendszerek energiafogyasztásának mérése

Egy vezeték nélküli IIoT-érzékelő működés közbeni mérése digitális multiméterrel csupán az átlagos áramfelvételről ad áttekintést, de használata nem ad pontos képet. Ha megnézzük egy IoT-eszközben található tipikus, alacsony fogyasztású mikrokontroller adatlapját, kaphatunk némi betekintést a jellemző áramértékekbe. A két fő funkcionális egységben (a mikrokontroller és a vezeték nélküli adó-vevő egység) a legtöbb gyártó lehetővé teszi a rádiófunkciók kikapcsolását a mikrokontrollertől függetlenül. Jó példa erre a Silicon Labs EFR32BG22 Series 2 Bluetooth Wireless egylapkás rendszere. A legmagasabb áramfogyasztási érték 8,2 mA akkor jelentkezik, amikor az adó 6 dBm-es kimeneti teljesítményt szolgáltat. A lapkát EM4 mélyalvó módba küldve a fogyasztási érték mindössze 0,17 µA-re esik vissza. Az ilyen széles dinamikus tartomány, a mikromásodpercek alatt bekövetkező mintegy ötvenszeres áramfelvétel-változás jól mutatja, mekkora kihívást jelent ez a probléma. A perifériainterfészek, az általános célú be- és kimeneti egységek (general purpose input/output – GPIO) és az IoT-eszköz kapcsolódó funkciói szintén áramot fogyasztanak, ezeknek a figyelembe vétele elengedhetetlen a rendszerek átfogó vizsgálatához.
Egy eszköz által fogyasztott áram mérése jellemzően a beágyazott rendszer tápvezetékébe elhelyezett kis ohm-értékű és nagy tűrésű, jellemzően 1%-os söntellenállás beépítését igényli. Az átfolyó áram kiszámítása a söntellenálláson mérhető feszültségből lehetséges. Az ellenállás hatékonyságához egy optimális érték tartozik. Ha túl magas, akkor magas terhelési feszültséget állít elő, és csökkenti a mikrokontrollerbe menő tápfeszültséget. Ha túl alacsony, akkor megnehezíti a kis értékű áram mérését.
A teljesítmény megfigyelésének és elemzésének ötlete több mint tíz éve jelent meg a beágyazott rendszerek szegmensében. A szabványos J-TAG hibakereső szondák manapság már árammérő funkcióval is elérhetők. Számos népszerű beágyazott eszközlánc és integrált fejlesztőeszköz (IDE) támogatja ezeket, de jellemzően nem képesek a mai beágyazott rendszerek által igényelt dinamikatartományt és mérési részletességet biztosítani.
Az eszközök energiafogyasztásának pontos és valós idejű mérése iránti igény kielégítésére képes egységekre jó példa a Qoitech Otii Arc.

Nagy dinamikatartományú, valós idejű,
beágyazott árammérés

A Qoitech Otii Arc (lásd 1. ábra) egy programozható tápegységet és elemzőeszközt is tartalmaz egy kompakt, hordozható egységben. Az Otii Arc kezelőfelületét egy átfogó, az összes ismertebb operációs rendszerhez elérhető szoftver biztosítja. Az Otii Arc nanoamperes pontossággal, 4 ks/mp maximális mintavételezési sebességgel, valós időben képes megjeleníteni és rögzíteni az áramfogyasztást. Nagy, néhány tíz nanoampertől 5 amperig terjedő árammérési dinamikatartománya vezető helyet biztosít számára az iparágban, és ideális választássá teszi bármilyen beágyazott rendszer kialakításához.

1. ábra A kompakt és hordozható kialakítású Qoitech Otii Arc (forrás: Qoitech)

Az Otii Arc tápellátása történhet USB-ről vagy egyenáramú adapter segítségével. A vizsgált eszköz (device under test – DUT) számára biztosított kimeneti feszültség 1 mV-os lépésenként 0,5–5 V között programozható. Az Otii 2,5 A folyamatos kimeneti áramot és akár 5 A csúcsáramot képes biztosítani. Az USB-csatlakozón keresztül elérhetőnél nagyobb áramleadási igény esetén külső tápegység biztosítása szükséges.
Az Otii Arc-ban két univerzális aszinkron adó-vevő (universal asynchronous receiver-transmitter – UART), két GPIO bemenet, két GPIO kimenet és két feszültségérzékelő érintkező található. Az UART-interfész használatával lehetővé válik, hogy a vizsgált eszköz hibakeresési üzenetei egyidejűleg megjelenítésre kerüljenek a valós idejű árammérési adatokkal. Ez az UART-funkció segíti a beágyazott rendszerek fejlesztőit abban, hogy egyes feladatokat és megfigyelési pontokat kiemeljenek a kódjukban, így megjelölve az alkalmazás adott funkcióit. Az UART-üzenetek lehetővé teszik az alkalmazás kódjának az árammérési adatokkal történő szinkro­nizációját, lásd a példát a 2. ábrán.

2. ábra Az UART használatával a hibakeresési üzenetek szinkonizálhatók az Otii Arc valós idejű árammérési adataival (forrás: Qoitech)

Az Otii Arc szoftvere támogatja a valós idejű munkamenetek rögzítését és tárolását. Ez a funkció kiemelten hasznos a beágyazott rendszerek fejlesztési szakaszában, az egyes hardver- és szoftverelemekben történt változtatások hatásának összehasonlításához. A GPIO-érintkezők képesek fogadni a vizsgált eszköz állapotcsatlakozóit, így az azokról érkező adatok egyidejűleg megjeleníthetők az Arc kijelzőjén, ami további segítséget jelent a hibakeresési eljárásokban.
Az érzékelők érintkezői lehetővé teszik a vizsgált berendezés egyéb tápbemeneteinek mérését vagy megkönnyítik a vizsgált eszköz tápegységének négyvezetékes megfigyelését. Az Otii Arc programozható áramelvezetővel is rendelkezik, aminek segítségével megvalósítható az elemek töltésének kisütése és profiljának rögzítése. Az Otii ezt követően képes elsődleges kimeneti feszültségén az eltárolt elemprofilokat emulálni. Ezeknek a funkcióknak a használatához az opcióként megvásárolható Otii battery toolbox szoftvercsomag licencelése szükséges.
A 3. ábrán látható egy az Otii Arc-hoz csatlakoztatott CR2032 gombelem az elem kisülési profiljának rögzítése érdekében. A 4. ábrán látható az elem teszteléséhez szükséges profilbeállítás. Látható, hogy az alacsony és magas beállításokhoz megadható a terhelés és az időtartam, illetve ezenfelül a ciklusismétlések száma is.

3. ábra Az Otii Arc-hoz csatlakoztatott CR2032, a gombelem profiljának felvételéhez (forrás: Qoitech)

A 4. ábrán látható „high” árambeállítás értéke 40 mA, a „low” 100 µA. Az idő minden adott zónában és ciklusban egy 30 napos kisülési időszakot jelent.

4. ábra Az elemprofilok beállításai a CR2032 gombelemhez (forrás: Qoitech)

Egy Otii Arc birtokában a beágyazott rendszerek fejlesztői hamar betekintést kaphatnak abba, hogy prototípusaik mikor és mennyi áramot fogyasztanak. Ezt nem csupán a mikrokontrollereik alvó üzemmódjának és a perifériás funkciók kikapcsolásának finomhangolásához használhatják fel, de új ötleteket is meríthetnek belőle egyéb energiatakarékos megoldásokhoz, amilyen például a megfelelő vezeték nélküli protokoll kiválasztása. A legtöbb edge-alapú IoT-érzékelőnek csupán minimális adatmennyiséget szükséges továbbítania, például a hőmérsékleti adatokat és a páratartalom mértékét 15 percenként. Egyes vezeték nélkül protokollok, hálózati útválasztók és titkosítási eljárások esetében ez a 40 bájtnyi adat könnyen több kilobájtosra duzzadhat.
A Qoitech egyik legfrissebb tecnikai tanulmányában (https://www.qoitech.com/blog/how-do-iot-protocols-affect-a-devices-energy-consumption/) rámutat, milyen szinten befolyásolhatja a vezeték nélküli protokoll megválasztása az áramfogyasztást. Az 5. ábrán egy NB-IoT vezeték nélküli modulon különböző protokollok és biztonsági beállítások használatával végzett tesztsorozat összegzése látható.

5. ábra Összehasonlítás a különböző adatprotokollok fogyasztásra gyakorolt hatásáról (forrás: Qoitech)

IoT eszközök energiafogyasztásának elemzése percek alatt

Egy beágyazott IoT-rendszert tápláló elem élettartamának meghatározása nehézségekkel jár. Az energiafogyasztás pontos mérésének hiányában az elemek várható élettartama legjobb esetben is csupán egy becsült érték. A vezeték nélküli egylapkás rendszerek adatlapján szereplő értékek jó megközelítést adnak, azonban nem veszik figyelembe az egységek működésének dinamikus változásait, például a vezeték nélküli kapcsolatok kialakítását és az adatok küldését. Hosszabb távon szintén fontos, az elemek teljesítményét befolyásoló szempont az eszköz csúcsfogyasztási periódusainak alakulása, ezért a várható működési modell megalkotásának képessége alapvető fontosságúvá vált.
A Qoitech Otii Arc energiaszabályzó képességének, a fogyasztás valós idejű elemzésének és a hibakeresési kódok szinkronizálásának köszönhetően hamar a fejlesztők tervezőasztalának nélkülözhetetlen eszközévé válik, és már megtalálható a Mouser kínálatában.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com