Výpočet životnosti baterií v IoT aplikacích

Internet výrazně změnil způsob, jakým navrhujeme většinu elektronických systémů, a to od nápisů na autobusových zastávkách až po složité průmyslové systémy, které nyní využívají možnosti připojení jako hlavní součást svých funkcí. Pravděpodobně největší změnou je však zavedení systémů snímačů, které shromažďují data a předávají informace do cloudu.

Tyto malé „věci“ často nemají přístup k síťovému zdroji. To znamená, že musí mít možnost vlastního napájení, kterého lze dosáhnout pomocí baterií nebo pomocí energy harvesting – vlastního generování elektrické energie.

V případě mnoha aplikací nabízí energy harvesting nejnadějnější řešení, protože poskytuje šanci na trvalý provoz, pokud lze zařízení navrhnout tak, aby využívalo méně energie, než je k dispozici pomocí „ETA Blendic Premium 4011 90000 energy harvesting“.

U řady aplikací však tento přístup není vhodný z důvodu omezené dostupnosti energie nebo příliš vysokých nároků na napájení systému. V takových případech je třeba zajistit napájení systému pomocí baterií.

Baterie je však bohužel třeba v určitém okamžiku vyměnit. Protože náklady na výměnu baterií jsou často vyšší než cena samotného IoT zařízení, odhad životnosti baterie získává zásadní význam.

Faktory ovlivňující životnost baterií

Životnost baterií IoT pro zařízení se stanovuje jednoduchým výpočtem: kapacita baterie se podělí průměrnou rychlostí vybíjení. Minimalizováním množství energie využívané zařízením nebo zvýšením kapacity baterie se prodlouží životnost baterie a sníží se celkové náklady na vlastnictví produktu.

Protože baterie často představují největší část systému IoT snímačů, konstruktéři mají často při jejich použití omezený výběr. Pomocí celé řady procesorů, komunikačních technologií a softwarových algoritmů lze však systém navrhnout tak, aby bylo dosaženo požadované životnosti.

Režimy spánku IoT procesorů

Procesory navržené pro IoT aplikace nabízejí nejrůznější režimy spánku s mimořádně nízkou spotřebou.

Vezměme například v úvahu zařízení, jako je bezdrátový mikrokontrolér CC2650MODA od TI. Na obr. 1 je zobrazen spotřebovaný proud v případě, že zařízení je provozováno v různých stavech. Od vypnutí po aktivní provoz se spotřeba energie liší o šest řádových hodnot.

Pokud ke vzorkování dat nedochází velmi zřídka, vypnutí procesoru poskytuje pouze málo výhod. Bude potřeba spustit kód dalších obvodů, což zvyšuje náklady a složitost. Pohotovostní režimy kromě toho spotřebují méně než 3 μA, což je úroveň, která by vybila baterii nejdříve za osm let: to je delší doba, než je životnost řady IoT zařízení, a doba rovnající se skladovatelnosti baterie CR2032. Úplné vypnutí procesoru tedy obvykle poskytuje pouze malý přínos.

Výběr příslušného pohotovostního režimu může být důležitý. Pohotovostní režim s nejnižší spotřebou využije přibližně jednu třetinu proudu v porovnání s možností s nejvyšší spotřebou. Nejdůležitější však je, že se uloží pouze velmi malá část stavu procesoru.

I když u některých IoT aplikací bude třeba vybrat režimy spánku s nejnižší spotřebou, mnohé z nich zvolí uchování vyrovnávací paměti za účelem omezení počtu cyklů potřebných k provádění zpracování dat, které je požadováno v aktivním režimu.

Zpracování dat v aktivním režimu je kompromisní řešení. Na obr. 1 je znázorněno, že spotřeba energie se zvyšuje lineárně s taktovací frekvencí, a to kvůli technologii CMOS použité pro tento typ IoT procesoru. Vyšší rychlosti procesoru by tedy mohly být spojovány s kratší životností baterií, avšak protože „bázový“ proud je 1,45 mA, kratší aktivační doba potřebná ke spuštění stejného algoritmu při vyšší rychlosti procesoru může znamenat, že zpomalení procesoru je úsporou na nesprávném místě a ve skutečnosti snižuje životnost baterií.

K přepnutí z jednoho režimu do jiného slouží také konečná aktivační doba: například 151 μs v případě zařízení CC2650MODA k přepnutí z pohotovostního do aktivního režimu. Při maximální taktovací frekvenci 48 MHz to znamená spotřebu energie po více než 7 000 hodinových cyklů při aktivaci procesoru. U aplikací, ve kterých je třeba pouze malé množství kódu, zpomalení procesoru za účelem získání delší doby provedení kódu pro nižší spotřebu během aktivace prodlouží životnost baterií. Omezení počtu operací aktivace a provedení maximálního možného počtu úloh před vrácením do pohotovostního režimu může stejně tak prodloužit životnost baterie.

Moderní IoT zařízení mohou být velmi složité produkty, ve kterých je integrováno mnoho periferních zařízení, čímž je umožněno řešení na jednom čipu, které splňuje nejrůznější požadavky. Běžné IoT zařízení (především jednoduché snímače) však často takovou úroveň funkcí nepotřebují.

Na obr. 2 je zobrazena spotřeba energie periferními zařízeními dostupnými v řadě TI CC2650MODA. I když proud spotřebovaný různými zařízeními je velmi malý (v řádu desítek nebo nižších stovek mikroampér), jejich vypnutí může mít významný dopad. Pokud není požadováno žádné sériové připojení, lze ušetřit celkem 318 μA. I když to nemusí vypadat jako mnoho, tento proud bude mít významný dopad na životnost baterií.

IoT komunikační technologie

Výběr správné komunikační technologie je často ovlivněn systémovými požadavky. U IoT systémů napájených bateriemi to téměř vždy znamená použití vysokofrekvenčního (RF) spojení.

V případě bezdrátových komunikací je se zvýšeným dosahem nebo vyšší přenosovou rychlostí obvykle požadována vyšší spotřeba energie, a proto je často zřejmou volbou komunikační technologie s nejnižší spotřebou, která bude tyto požadavky splňovat.

U IoT snímačů je k dispozici několik oblíbených technologií. Technologie LoRa například nabízí možnost vytvoření sítě WAN s nízkou spotřebou a širokým dosahem několika kilometrů, zatímco technologie Bluetooth Low Energy (BLE) komunikuje pouze na krátké vzdálenosti, avšak spotřebuje podstatně méně proudu. Další nutné rozhodnutí spočívá v tom, zda k ovládání komunikace použít zařízení se systémem na čipu nebo vybrat samostatný čip.

Správa komunikačního rozhraní má zásadní význam, protože i komunikační technologie s nízkou spotřebou velmi rychle vybijí baterii a požadavek na zpracování dat je často vyšší než požadavek vysokofrekvenčního stupně (RF).

Aby IoT systémy maximalizovaly kapacitu baterie určenou pro komunikaci, řada z nich aktivuje pouze komunikační okruhy, když mají dostatek dat, aby se přenos vyplatil.

Výběr snímačů za účelem maximalizace životnosti baterií

Snímače mohou mít významný dopad na životnost baterií IoT systému. Odporové snímače teploty a termistory s teplotou například mění svůj odpor. V případě jednoduché aplikace, u které není důležitá přesnost, může být například použit dělič napětí, avšak systém s vysokou přesností bude potřebovat zdroj proudu, což bude vyžadovat více energie. U mnoha aplikací jsou dobrým řešením integrované snímače teploty, například TI LM35DZ. Toto zařízení má přesnost ±0,25 °C při pokojové teplotě a odebírá pouze 60 μA. Ať již je vybrán jakýkoli snímač, je zásadní, aby odebíral energii pouze během používání.

Technologie baterií pro IoT

Problémem při výběru baterií je omezené množství dat, která jsou u řady z nich k dispozici. Kromě fyzických rozměrů a výstupního napětí je často jediným dalším uvedeným parametrem pouze kapacita. Kapacita baterie má samozřejmě zásadní význam, protože určuje celkové množství energie, která je k dispozici pro zařízení pro internet věcí.

Kvalita baterie má významný dopad na kapacitu. Pouhý výběr konkrétního typu s sebou nese riziko pořízení levnějšího zařízení s nízkou kapacitou, což následně sníží životnost baterie IoT aplikace a přinese náklady v podobě drahé výměny baterií. Můžete také pořídit baterie s různými chemickými řešeními, které jsou k dispozici v konkrétním tvaru: Použití jiného chemického řešení může výrazně ovlivnit životnost baterie.

Na základě stručných technických listů dodaných s mnoha bateriemi se můžete domnívat, že baterie jsou velmi jednoduchá zařízení a že kapacita baterie je pevně daná. Ve skutečnosti to však není pravda. Pokud například zátěž vyžaduje více proudu, životnost se významně sníží. A co je ještě důležitější u některých aplikací, pokud klesne teplota, kapacita baterie se podstatně sníží – viz obr. 3.

IoT aplikace odebírají proud v impulzech. Procesor a snímač mohou odebírat několik miliampérů během skupiny impulzů a poté se na delší dobu mohou přepnout do režimu nízké spotřeby. Odběr proudu v impulzech způsobuje pokles výstupního napětí (obr. 4). Tak například impulzní zatížení 2 mA způsobí pokles výstupu zařízení CR2032 z 3 V přibližně na 2,2 V.

Konstruktéři často ignorují skladovatelnost baterií, protože vycházejí z předpokladu, že souvisí s uložením baterie a nikoli s jejím použitím. IoT aplikace však často potřebují fungovat roky pomocí jedné baterie, což ze skladovatelnosti činí zásadní faktor. Většina baterií uvádí skladovatelnost pouze sedm nebo osm let.

Závěr: maximalizace životnosti baterií

Vývoj zařízení pro IoT , které může fungovat pomocí baterie, vyžaduje pečlivé zkonstruování. I když výběr součástek hraje důležitou roli, chybná rozhodnutí související s návrhem mohou znehodnotit výhody procesoru s nízkou spotřebou. Klíčem k dosažení dobré životnosti baterií je zajištění toho, aby byl procesor co nejvíce v pohotovostním režimu s nízkou spotřebou a aby bylo omezeno používání bezdrátových komunikací. V této souvislosti vyvinula společnost Farnell element14 kalkulačku, která uživatelům umožňuje snadno a rychle odhadnout životnost baterie IoT systému (http://cz.farnell.com/calculating-battery-lifein-iot-applications#calculator).

Uživatelé jednoduše zadají příslušné parametry jejich procesoru, komunikačního zařízení, snímače a baterie a také hlavní podrobnosti o fungování softwaru.