Jak výrazně zlepšit efektivitu zařízení IoT napájených z baterie

Článek ukazuje, jak navrhnout zařízení internetu věcí (IoT) tak, aby pracovalo ještě účinněji. Po stručném připomenutí záležitostí spojených s řízením baterií se zaměřuje na klíčovou roli nanopříkonového režimu pro přepravu a také spánkového módu. Nakonec zde představí nové řešení pro lepší optimalizaci z pohledu obou stránek řízení baterií, kdy v porovnání s tradičními postupy snižujeme výkonovou spotřebu a také zastavěnou plochu na desce.

Pár slov úvodem

V dnešním vzájemně provázaném světě hraje IoT klíčovou roli. Propojuje totiž různé snímače a přenáší data na zabezpečený server. Ve snaze o navýšení efektivity aplikací IoT bude řízení napájení jedním z ústředních bodů celého návrhu.

Snímač (prvek pro sběr dat) najdeme ve většině případů na vzdáleném místě, kde je také napájen z baterie. Výdrž článku pak závisí na tom, s jakou účinností navrhneme systém napájení takového senzoru. Čidlo tráví většinu svého času v režimu spánku a do aktivního módu se probouzí jen tehdy, když je vyžadován sběr dat. Pracovní cyklus zde tedy máme docela krátký. Abychom prodloužili výdrž baterie na maximum, potřebujeme v aplikacích IoT snižovat právě odběr ve spánkovém režimu.

Obr. 1  Typické stavební bloky systému IoT

Základy řízení napájení u zařízení IoT

V typickém systému IoT, viz také obr. 1, bude bezdrátový snímač napájen převážně z baterie, která jej bude z principu rovněž omezovat. Pro zajištění maximální výdrže senzoru je proto řízení napájení zcela klíčové. Pokud má čidlo šetřit energii, bude se vše zpravidla odvíjet od jeho pracovního cyklu. Vzhledem k tomu, že k hlavnímu odběru snímače přispívá „naslouchání“, a to i v režimu „idle“, bude na místě posoudit spotřebu bezdrátového senzoru s ohledem na tři různé oblasti, kterými jsou:

– snímač,

– mikrokontrolér a

– vf komunikace.

Snímač sbírá surové údaje, třeba o teplotě a vlhkosti, a předává je mikrokontroléru. Mikrokontrolér pak surová data zpracuje a přenáší je do cloudu či datového centra s využitím vysokofrekvenčního spoje. Za předpokladu, že je senzor v typické aplikaci aktivní pouze v krátkém pracovním cyklu (v rozsahu od 0,01 % do 1 %) a většinu času stráví v nečinnosti, dokážeme na základě principů řízení napájení, kdy bude proudový odběr čidla v režimu spánku mimořádně nízký, prodloužit výdrž baterie. Vhodným příkladem se stává systém chytrého zavlažování, ve kterém snímač měří vlhkost půdy a sbírá data pouze jednou za hodinu.

Obr. 2  Blokový diagram pro řešení se samostatnými součástkami

V čem jsou klíčové režimy Ship a Sleep?

Režimy Ship a Sleep, to je obvyklý žargon používaný v souvislosti se zařízeními IoT napájenými z baterií, kdy se zároveň jedná o klíčové aspekty řízení napájení v takových aplikacích. Režimem Ship zde budeme rozumět nanopříkonový stav, který prodlužuje výdrž baterie během přepravy daného produktu. V přepravním módu je baterie elektricky odpojená od zbytku systému tak, abychom dokázali minimalizovat ztrátu energie, zatímco produkt nepracuje nebo není používán. K ukončení přepravního režimu a nastartování běžné činnosti zařízení pak slouží tlačítko.

Jakmile se již bude zařízení nacházet v aktivním provozu, použijeme k prodloužení životnosti baterie režim Sleep. V módu spánku budou nyní veškeré periférie systému buď „odstaveny“, nebo pracují s minimálními výkonovými požadavky. Zařízení internetu věcí se periodicky probouzí, vykonají konkrétní činnost a poté se opět vrací do spánkového režimu.

Tím, že u bezdrátového senzoru zakážeme různé periférie, můžeme dosáhnout i odlišných režimů Sleep. U některého ze spánkových módů stačí jen vypnout komunikační bloky. V režimu lehkého spánku to může být i většina bloků, tedy již zmiňovaný komunikační, ale také bloky pro snímání a číslicové funkce, zatímco v případě hlubokého spánku již bývá bezdrátový senzor vypnutý kompletně. Sečteno a podtrženo, povolení hlubokého režimu spánku dokáže u snímače maximalizovat výdrž baterie a optimalizace proudového odběru v takovém módu je proto jediným způsobem, jak životnost baterie celkově zlepšit.

Obr. 3  Integrované řešení využívající obvody MAX16163

Cyklování pro zajištění režimu hlubokého spánku v aplikacích IoT

Opakování pracovního cyklu bude u modulů IoT jedním z oblíbených způsobů, jak pravidelně dosahovat režimu hlubokého spánku. Zatímco se bezdrátový senzor nachází ve zmiňovaném režimu, má většinu svých periférií vypnutých nebo jsou v režimu Shutdown, takže odebírají pouze proud v řádu nanoampér. Součástka pro udržování času, jako je RTC (real-time clock), pak bude po vypršení nastavené pauzy modul IoT zase probouzet. Zatímco se systém nachází v režimu hlubokého spánku, mikrokontrolér vůbec nepracuje. Po obnovení činnosti však musíme vždy počítat s určitou dobou náběhu, která do systému vnáší nežádoucí zpoždění. Pokud jde o zmíněný kompromis, bude míra jeho dopadu záviset na charakteristikách každého uzlu a také pracovním cyklu dané aplikace.

Hluboký spánek a režim Ship tradičně: RTC, spínač zátěže a kontrolér pro tlačítko

K zapínání a vypínání bezdrátového senzoru nám v klasických návrzích slouží spínač zátěže s blokem RTC. V takovém případě budou aktivní pouze zmíněné dva prvky, což nám snižuje výsledný klidový odběr na úroveň nanoampér. Dobu spánku lze přitom definovat prostřednictvím mikrokontroléru, který je součástí bezdrátového čidla.

Ke spínači zátěže lze rovněž připojit kontrolér pro vnější tlačítko, takže lze uvažovat i o přepravním režimu. Díky externímu tlačítku pak opouštíme režim Ship a necháváme bezdrátový snímač vstoupit do běžného provozu.

Obr. 4  Zjednodušené schéma zapojení se samostatnými prvky

Přepravní režim a hluboký spánek: nyní ještě lépe

Obvody MAX16163 / MAX16164 jsou „nanopříkonovými“ kontroléry od společnosti Analog Devices s kontroléry on/off a nastavitelnou dobou spánku. Součástka integruje výkonový spínač, se kterým lze hradlovat výstup, zatímco zde uvažuje zatěžovací proudy až 200 mA. Obvody MAX16162 / MAX16163 pak dokážou nahradit klasické spínače zátěže, RTC a také IO pro zajištění čerstvosti baterie při prvním použití, takže dále snižují celkový počet součástek, včetně nákladů. Bezdrátový senzor tak bude k baterii připojen prostřednictvím obvodu MAX16162 / MAX16163. Dobu spánku lze definovat mikrokontrolérem nebo ji také můžeme nastavit vnějším rezistorem zapojeným mezi vývod PB/SLP oproti zemi, příp. si u MCU pomůžeme příkazem I²C. K opuštění přepravního režimu slouží vnější tlačítko.

Porovnání vlastností řešení

Pokud chceme u obou přístupů srovnat výsledky, bude nás v případě aplikace IoT zajímat její pracovní cyklus. V zapojení s krátkým pracovním cyklem nám odběr v režimu spánku odráží, jak účinný bude systém, když je zařízení IoT v provozu, zatímco spotřeba v módu Shutdown zde postihuje odběr v přepravním režimu. Pro ilustraci jsme zvolili RTC MAX31342 s nejnižší klidovou spotřebou, MAX16150 pro zajištění čerstvosti baterie a také drobný spínač zátěže TPS22916.

RTC nastavujeme pomocí I²C, kde také pro aplikaci IoT definujeme dobu spánku. Po vypršení (timer) signál přerušení stahuje vývod BPIN obvodu MAX16150, což nastaví OUT na vysokou úroveň a aktivuje spínač zátěže. Po dobu spánku odebírají proud pouze obvody TPS22916, MAX31342 a MAX16150. V experimentu posuzujeme výdrž dvou současných řešení s pevně danými pracovními cykly, kde srovnáváme vlastnosti u klasického přístupu s návrhem vylepšeným na základě obvodu MAX16163. Životnost baterie lze spočítat pomocí průměrné spotřeby a její kapacity.

 

 

 

K průměrné spotřebě se zase dostaneme prostřednictvím pracovního cyklu systému.

 

Odběr aktivního systému zde představuje spotřebu bezdrátového snímače v aktivním režimu. Abychom dokázali obě řešení mezi sebou porovnat, předpokládejme, že se systém probouzí vždy jednou za dvě hodiny, vykoná, co je zapotřebí, a pak se zase uspí. Během své aktivity přitom odebírá 5 mA. Životnost baterie se pak bude odvíjet od pracovního cyklu. Na obr. 5 vidíme graf zachycující výdrž baterie pro oba případy a v závislosti na různých pracovních cyklech se změnami od 0,005 % až do 0,015 %.

Obr. 5  Bezdrátový senzor a výdrž baterie v závislosti na pracovním cyklu

Závěr

V článku jsme se zaměřili na klíčovou roli řízení baterií v nebývale rostoucím světě zařízení IoT. Také jsme si ukázali, že optimalizace přepravního a spánkového režimu bude jedním z nejlepších způsobů, jak u bateriového zařízení zlepšit efektivitu. Obvod MAX16163 od ADI pak umožňuje vytvářet návrhy s ještě přesnější kontrolou nad těmito funkcemi. Výdrž baterie bude možné prodloužit zhruba o dvacet procent (platí pro typický pracovní cyklus 0,007 %, jak je také zachyceno na obr. 5), zatímco se v porovnání s tradičním přístupem zmenšují o 60 % i fyzické rozměry řešení.

www.analog.com