Оглавление
Сейчас мы изучим повысить энергоэффективность устройств Интернета вещей (IoT). Предлагаемый метод включает усовершенствование схемы управления питанием и использование режимов глубокого сна, где ток потребления составляет наноамперы. Недавно разработчиками было представлено новое однокристальное решение, которое еще лучше оптимизирует питание от аккумулятора, что приводит к снижению энергопотребления и, в то же время, меньшему занимаемому месту на печатной плате по сравнению с существующими решения на дискретных элементах.
Коммуникация играет ключевую роль в IoT, и благодаря ей устройства выполняют роль узлов, подключенных к сети, а данные с датчиков могут отправляться на сервер для дальнейшей обработке. Для решений с батарейками, управление питанием становится одной из наиболее важных областей для повышения производительности устройств IoT, поскольку срок службы батареи определяет время работы.
Чаще всего узел датчика IoT (основной компонент системы сбора данных) является удаленным и питается от батареи. Срок службы её зависит от того, насколько эффективно спроектирована схема питания. Как правило, сенсорный узел большую часть времени остается в спящем режиме. Он переходит в активный режим только на время сбора данных. Рабочий цикл этих устройств невелик, это означает что они просыпаются ненадолго, а сон занимает много времени. Поэтому, чтобы максимально увеличить срок службы батареи, важно свести к минимуму мощность потребляемую устройством, когда оно находится в спящем режиме.
Управление энергопотреблением в IoT
В типичной системе IoT узел беспроводного датчика питается от батареи, поэтому время его работы ограничено емкостью. Чтобы максимизировать время жизни операции, важно разделить работу на активное и неактивное время, которые вместе образуют рабочий цикл. Это общепринятая практика энергосбережения. Идея состоит в том чтобы ограничить работу всех цепей, не нуждающихся в питании, в неактивном состоянии, так как именно такие неотключенные компоненты являются основным источником потерь. Оценка энергопотребления узла беспроводного датчика касается трех основных компонентов: Датчик, Микроконтроллер, Радиопередатчик.
Датчик предоставляет необработанные данные (например температура или влажность), и отправляет их на микроконтроллер, который обрабатывает их и передает в облако или на главный компьютер сети по радиоканалу. Следовательно, учитывая что типичные сенсорные устройства работают с очень низким рабочим циклом (от 0,01% до 1%), то есть бездействуют большую часть времени, принятие схемы управления питанием в которой ток сна сенсорного узла очень низок, экономит ресурсы. Примером такого применения является интеллектуальная система орошения, в которой сенсорный узел измеряет влажность почвы только раз в час.
Режим сна и работы
Режим передачи и спящий режим являются ключевыми аспектами управления энергопотреблением. В режиме сна источник питания электрически отключен от остальной схемы, чтобы свести к минимуму энергопотребление, когда устройство еще не используется. Задача режима — защитить заряд аккумулятора. Выход из этого состояния следует после нажатия определенной кнопки, запускающей период нормальной работы устройства.
Как правило, девайсы IoT периодически просыпаются, выполняют определенную задачу, а затем снова засыпают. В зависимости от потребностей некоторые блоки отключаются. Этот режим называется частичным сном. В нем отключено большинство блоков, включая связь, питание датчиков и цифровые цепи, а в режиме глубокого сна отключается весь чип беспроводного датчика.
Включение режима глубокого сна позволяет максимально продлить срок службы батареи, поэтому оптимизация потребляемого в это время тока является ключевым способом улучшения энергетического расхода.
Рабочий цикл для включения глубокого сна
Рабочий цикл — один из популярных методов использования глубокого сна. Когда узел беспроводного датчика находится в этом состоянии, большинство периферийных устройств, включая микроконтроллер, выключены или находятся в режиме отключения, потребляя наноамперный ток. За пробуждение отвечает таймер реального времени (RTC), который активирует модуль IoT в запрограммированное время. Пробуждение занимает некоторое время и создает иногда нежелательную задержку реакции. Это необходимо учитывать при выборе временного фактора приложения в зависимости от характеристик узлов и требуемого времени работы в активном режиме.
В большинстве традиционных решений используются три элемента, обеспечивающих такую функциональность: таймер RTC, переключатель напряжения питания и кнопка, активирующая работу устройства, подключенного к схеме управления (контроллеру).
Традиционное решение использует отдельный переключатель напряжения и RTC, которые вместе включают сенсорный узел в активное время и выключают его, когда он спит. Преимущество этого заключается в том, что постоянно находится под напряжением только RTC, и это снижает общий ток покоя до значения несколько наноампер. Время сна можно установить с помощью микроконтроллера в устройстве для программирования регистров RTC. Для реализации режима передачи к выключателю питания необходимо подключить дополнительный драйвер кнопки активации действия, выполняющий функцию инициирования штатной работы.
Нанотоковые контроллеры MAX16163 и MAX16164
MAX16163/MAX16164 — это нанотоковые контроллеры выпускаемые Analog Devices, которые позволяют программировать время ожидания в заданном цикле. Эти микросхемы также имеют встроенный выключатель питания с максимальной мощностью 200 мА и заменяют в общей сложности три дискретных компонента, что снижает затраты на внедрение.
В этом решении питание сенсорного узла подключается к аккумулятору через MAX16162, а время сна может быть запрограммировано микроконтроллером и интерфейсом I2C или установлено с помощью внешнего резистора на выводе PB/SLP. Как и в дискретном решении, для выхода из режима блокировки аккумулятора используется специальная кнопка.
Сравнение производительности чипов
Сравнение параметров обоих решений зависит от установленного рабочего цикла IoT устройства. Когда время ожидания очень велико, ток потребляемый от батареи в этом состоянии является мерой энергоэффективности. И наоборот, энергопотребление в режиме отключения является мерой энергопотребления в передающем режиме. Для моделирования была выбрана схема RTC с самым низким током покоя — MAX31342, контроллер транспортировочного замка батареи MAX16150 и выключатель питания TPS22916. RTC запрограммирован на I2C, который используется для установки времени ожидания устройства IoT. Таймер выдает сигнал прерывания на вывод PBIN и одновременно устанавливает высокое состояние на выходе OUT, включая питание. Во время сна питание подается только на TPS22916, MAX31342 и MAX16150.
Затем был проведен эксперимент по оценке времени автономной работы для двух решений: традиционного и интегрированного на базе микросхемы MAX16163. Срок службы батареи можно рассчитать как отношение емкости батареи к среднему току нагрузки. В свою очередь, средний ток нагрузки можно рассчитать исходя из выбранного рабочего цикла.
Ток питания в активном состоянии потребляется во время работы датчика. Предположим, схема просыпается раз в 2 часа, выполняет определенную задачу, а затем переходит в спящий режим. Активный ток питания составляет 5 мА. Тогда срок службы батареи зависит от продолжительности задач измерения в активном цикле. На рисунке представлен график времени автономной работы для двух микросхем и разных коэффициентов заполнения — от 0,005% до 0,015%.
Как видно, оптимизация энергопотребления в режимах выключения и сна — один из лучших способов увеличить срок службы батареи. Чип Analog Devices MAX16163 обеспечивает более низкие значения, что увеличивает срок службы батареи примерно на 20 % и уменьшает размеры до 60 % по сравнению с обычным дискретным подходом к проектировке схемы.
