Ako správne zmerať spotrebu energie bezdrôtových komunikačných modulov v období nízkej spotreby energie?: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Nízka spotreba energie je v internete vecí mimoriadne dôležitým konceptom. Väčšina uzlov IoT musí byť napájaná batériami. Iba správnym meraním spotreby energie bezdrôtového modulu dokážeme presne odhadnúť, koľko batérie je potrebné na 5-ročnú životnosť batérie. Tento článok vám vysvetlí podrobné metódy merania.

V mnohých aplikáciách internetu vecí sú koncové zariadenia obvykle napájané z batérie a majú obmedzený dostupný výkon. Vzhľadom na samovybíjanie batérie je skutočné využitie elektrickej energie v najhoršom prípade len asi 70% nominálneho výkonu. Napríklad bežne používaná gombíková batéria CR2032, nominálna kapacita jednej batérie je 200 mAh a v skutočnosti je možné použiť iba 140 mAh.

Pretože je kapacita batérie tak obmedzená, je dôležité znížiť spotrebu energie výrobku! Pozrime sa na bežne používané metódy merania spotreby energie. Optimalizáciu spotreby energie produktu je možné vykonať iba vtedy, ak sú tieto metódy merania spotreby energie jasné.

Krok 1: Najprv meranie spotreby energie

Test spotreby energie bezdrôtového modulu slúži hlavne na meranie prúdu a je rozdelený na dva rôzne testy pokojového a dynamického prúdu. Keď je modul v režime spánku alebo v pohotovostnom stave, pretože prúd sa nemení, zachovajte statickú hodnotu, nazývame ho pokojový prúd. V súčasnosti môžeme na meranie používať tradičný multimetr, na dosiahnutie požadovanej hodnoty merania je potrebné zapojiť multimetr do série s kolíkom napájania, ako je to znázornené na obrázku 1.

Krok 2:

Pri meraní emisného prúdu normálneho prevádzkového režimu modulu je celkový prúd v stave zmeny v dôsledku krátkeho času potrebného na prenos signálu. Hovoríme tomu dynamický prúd. Doba odozvy multimetra je pomalá, je ťažké zachytiť meniaci sa prúd, takže multimeter nemôžete používať na meranie. Na zmenu prúdu musíte na meranie použiť osciloskop a prúdovú sondu. Výsledok merania je znázornený na obrázku 2.

Krok 3: Za druhé, výpočet životnosti batérie

Bezdrôtové moduly majú často dva režimy prevádzky, prevádzkový režim a režim spánku, ako je znázornené na obrázku 3 nižšie.

Krok 4:

Vyššie uvedené údaje pochádzajú z nášho produktu LM400TU. Podľa vyššie uvedeného obrázku je prenosový interval medzi dvoma prenosovými paketmi 1 000 ms a vypočíta sa priemerný prúd:

Inými slovami, priemerný prúd je asi 2,4 mA za 1 sekundu. Ak používate napájací zdroj CR2032, môžete v ideálnom prípade použiť približne 83 hodín, približne 3,5 dňa. Čo keď predĺžime pracovný čas na jednu hodinu? Podobne sa z vyššie uvedeného vzorca dá vypočítať, že priemerný hodinový prúd je iba 1,67uA. Rovnaká časť batérie CR2032 môže podporovať zariadenie, aby pracovalo 119, 760 hodín, asi 13 rokov! Na základe porovnania vyššie uvedených dvoch príkladov môže zvýšenie časového intervalu medzi odoslaním paketov a predĺžením času spánku znížiť spotrebu energie celého zariadenia, takže zariadenie môže pracovať dlhšie. To je dôvod, prečo sa výrobky v odvetví čítania bezdrôtových meračov používajú spravidla dlho, pretože odosielajú údaje iba raz denne.

Krok 5: Po tretie, bežné problémy a príčiny napájania

Aby sa zaistila nízka spotreba energie produktu, okrem predĺženia času intervalu paketov dochádza aj k zníženiu súčasnej spotreby samotného produktu, tj. Iwork a ISleep uvedených vyššie. Za normálnych okolností by tieto dve hodnoty mali byť v súlade s údajovým listom čipu, ale ak nie je používateľ správne používaný, môžu nastať problémy. Keď sme testovali emisný prúd modulu, zistili sme, že inštalácia antény mala veľký vplyv na výsledky testov. Pri meraní s anténou je prúd výrobku 120 mA, ale ak je anténa odskrutkovaná, testovací prúd sa zvýši na takmer 150 mA. Anomálie spotreby energie je v tomto prípade spôsobená predovšetkým nesúladom RF konca modulu, čo spôsobuje, že interný PA pracuje abnormálne. Odporúčame preto zákazníkom, aby si pri hodnotení bezdrôtového modulu urobili test.

V predchádzajúcich výpočtoch, keď sa prenosový interval predlžuje a predlžuje, pracovný prúd je stále menší a najväčší faktor, ktorý ovplyvňuje spotrebu energie celého stroja, je ISleep. Čím menší je ISleep, tým dlhšia bude životnosť produktu. Táto hodnota je vo všeobecnosti blízka údajovému listu čipu, ale pri teste spätnej väzby od zákazníkov sa často stretávame s veľkým množstvom spánkového prúdu, prečo?

Tento problém je často spôsobený konfiguráciou MCU. Priemerná spotreba energie MCU jedného MCU môže dosiahnuť úroveň mA. Inými slovami, ak omylom zmeškáte alebo nezhodujete stav portu IO, pravdepodobne to zničí predchádzajúci návrh s nízkym výkonom. Vezmime si ako príklad malý experiment, aby sme videli, ako veľmi sa problém týka.

Krok 6:

V testovacom procese na obrázku 4 a obrázku 5 je testovacím predmetom ten istý výrobok a rovnakou konfiguráciou je režim spánku modulu, ktorý evidentne vidí rozdiel vo výsledkoch testu. Na obrázku 4 sú všetky IO nakonfigurované na vstupné sťahovanie alebo sťahovanie a testovaný prúd je iba 4,9uA. Na obrázku 5 sú iba dva IO nakonfigurované ako plávajúce vstupy a výsledok testu je 86,1uA.

Ak sú prevádzkový prúd a trvanie na obrázku 3 udržiavané konštantné, prenosový interval je 1 hodina, čo prináša rôzne výpočty spánkového prúdu. Podľa výsledkov na obrázku 4 je priemerný hodinový prúd 5,57 uA a podľa obrázku 5 je to 86,77 uA, čo je asi 16 -krát. Tiež pri použití 200mAh batériového zdroja CR2032 môže výrobok podľa konfigurácie na obrázku 4 fungovať normálne asi 4 roky a podľa konfigurácie na obrázku 5 je tento výsledok iba asi 3 mesiace! Ako je zrejmé z vyššie uvedených príkladov, na maximalizáciu trvania používania bezdrôtového modulu je potrebné dodržať nasledujúce zásady návrhu:

1. Za predpokladu splnenia aplikačných požiadaviek zákazníkov predĺžte interval odosielania paketov čo najviac a znížte pracovný prúd počas pracovného obdobia;

2. Stav IO na MCU musí byť správne nakonfigurovaný. MCU rôznych výrobcov môžu mať rôzne konfigurácie. Podrobnosti nájdete v oficiálnych údajoch.

LM400TU je nízkoenergetický jadrový modul LoRa vyvinutý spoločnosťou ZLG Zhiyuan Electronics. Modul je navrhnutý s modulačnou technológiou LoRa odvodenou z vojenského komunikačného systému. Kombinuje jedinečnú technológiu spracovania rozšírenia spektra a dokonale rieši malý objem dát v komplexnom prostredí. Problém komunikácie na extrémne dlhé vzdialenosti. Sieťový transparentný prenosový modul LoRa obsahuje samoorganizujúci sa transparentný prenosový protokol siete, podporuje užívateľskú samoorganizujúcu sa sieť jediným tlačidlom a poskytuje vyhradený protokol na čítanie meračov, protokol CLAA a protokol LoRaWAN. Používatelia môžu priamo vyvíjať aplikácie bez toho, aby na protokole trávili veľa času.