Przedłuż życie

-- piątek, 01 wrzesień 2006 20:34

Systemy mogą osiągnąć przeciętny pobór prądu na poziomie 1 µA, dzięki zastosowaniu niskoobciążonego cyklu pracy i minimalizacji poboru mocy przez procesor, oprogramowanie i interfejs

Wymagania w stosunku do przenośnych urządzeń elektroniki powszechnego użytku skłaniają się obecnie ku metodom osiągania niskiego poboru prądu przez zastosowane w nich systemy. W tych urządzeniach źródłem zasilania jest zwykle bateria, a potrzeby zmieszczenia urządzenia w kieszeni lub teczce wymuszają ograniczenie rozmiarów. Pomimo, że wspomniane ograniczenia poboru prądu są znacznie bardziej rygorystyczne w urządzeniach przenośnych niż w zasilanych z gniazdka, wciąż mamy do czynienia ze względną obfitością źródeł prądu. W końcu użytkownik może doładowywać swojego iPoda lub telefon komórkowy każdej nocy.

Ale jeżeli użytkownik nigdy nie będzie mógł wymienić – lub nawet tylko doładować – baterii, to co wtedy? Taki scenariusz pojawia się przed projektantami systemów rozrzuconych w instalacjach w terenie, gdzie doładowanie baterii jest praktycznie niemożliwe. Sieć bezprzewodowych czujników, często zwana siecią inteligentną lub pyłową, jest jedną z takich aplikacji: przeciętne zużycie prądu w każdym niezależnym węźle waha się w granicach 1 µA.

Poważne ograniczenia w zakresie mocy mogą także napotkać mniej egzotyczne urządzenia powszechnego użytku. Jako przykład może tu posłużyć stosowany w gospodarstwach domowych termostat. Zaprojektowanie go w taki sposób, by użytkownik sam wymieniał baterię, komplikuje układ instrukcji obsługi urządzenia, a także powoduje dodatkowe koszty, wynikające z konieczności opacowania obudowy o zwiększonej wytrzymałości i zapewnieniu miejsca dostępu do baterii, ponieważ z reguły termostaty są urządzeniami specjalnie uszczelnianymi. Juan Alvarez, dyrektor do spraw marketingu w Texas Instruments, na przykładzie urządzenia o symbolu MSP430 wyjaśnia prostą kalkulację bilansu energetycznego termostatu. – Mała bateria litowo-jonowa ma pojemność około 220 mAh. Jeżeli osiągnie się średni pobór prądu przez urządzenie na poziomie 2,5 µA, oznacza to, że może ono pracować przez dziesięć lat żywotności baterii. Po upływie tego czasu właściciel prędzej wymieni cały termostat niż samą baterię.

SIEĆ bezprzewodowa inteligentnych czujników, jak rodzina produktów firmy Millennial Net pracująca na częstotliwości 916 MHz, musi pracować w oddalonych lokalizacjach, gdzie wymiana baterii jest praktycznie niemożliwa. Zapotrzebowanie na moc dla pojedynczego węzła jest rzędu mikroamperów

Najważniejszą cechą systemu, mogącego pracować przy średnim poborze prądu rzędu 1 µA, jest niskoobciążony cykl pracy. Takie systemy pozostają w trybie czuwania przez ponad 99 procent ich życia, z krótkimi przerwami wypełnionymi aktywnością. Po „przebudzeniu” ściągają dane ze swoich czujników, przetwarzają je, porozumiewają się z czujnikami i ponownie zapadają w stan czuwania. Podczas projektowania takich systemów o powolnym cyklu pracy i ultraniskim poborze mocy projektanci mają do czynienia z dwoma głównymi obszarami oszczędności mocy o zdecydowanie różnych charakterystykach: pierwszy z nich to cyfrowa komunikacja i przetwarzanie, drugi stanowią układy: czujnik – wzmacniacz i interfejs.

Komunikacja zabiera znaczną część bilansu mocy w sieci czujników bezprzewodowych. Projektanci opracowali najpopularniejsze protokoły bezprzewodowe pod kątem systemów o praktycznie nieograniczonym dostępie do źródeł zasilania. Na przykład taki protokół jak 802.11, z trybem ciągłego nasłuchu, jest zupełnie niepraktyczny dla sieci o niskoobciążonym cyklu pracy. Sokwoo Rhee, główny technolog projektowania sieci czujników bezprzewodowych Millennial Net, twierdzi, że firma brała pod uwagę inne protokoły sieci bezprzewodowych, takie jak ZigBee, ale doszła do wniosku, że komunikacja zabiera zbyt dużo prądu. Zamiast tego Millennial Net stworzył swój własny protokół dla bezprzewodowej sieci czujników. – Musieliśmy zredukować liczbę pakietów kontrolnych przesyłanych w obie strony, aby utrzymać topologię sieci. Bezprzewodowa sieć czujników musi zredukować nadbudowę i musi być rzeczywiście skuteczna przy wykrywaniu i powtórnym wykrywaniu sieci. Można oszczędzić moc nie używając mikroprocesora dla całej tej nadbudowy, nieefektywnej z punktu widzenia obciążenia sieci – mówi Rhee.

Warto było ponieść wysiłek przy tworzeniu nowego protokołu, ponieważ efekt falowania zdarza się niezależnie od oszczędzenia czasu pracy mikroprocesora i towarzyszącego mu zużycia energii. Zdaniem Rhee, firma usiłowała zmniejszyć jak najbardziej ślady kodu. Protokoły w rodzaju ZigBee mają ślady dwukrotnie większe od śladów kodu stanowiącego własność Millennial Net. Protokół pasuje do małej pojemności pamięci, a więc używa mniejszego mikroprocesora, który z kolei pobiera mniej mocy i pozwala firmie spełnić wymagania oszczędności energii. Firma wybrała chip sterujący PIC16/8LF produkcji Microchip ze względu na jego sprawność prądową. Procesory przyszłości, pracujące w niskoobciążonym cyklu roboczym i o ultraniskim poborze mocy, mogą skorzystać z technik projektowania urządzeń o niskich wartościach progowych.

Wyłączenie samoczynne?

Zaskakujące jest, że czasami dla projektów urządzeń energooszczędnych nie trzeba wybierać procesora systemu, zoptymalizowanego pod kątem zużycia prądu. Eli Weinstein, główny technolog w firmie AvalonRF, która jest kolejnym producentem bezprzewodowych sieci czujników, także podkreśla znaczenie niskoobciążonego cyklu pracy jako kluczowego elementu spełniającego wymagania ultraniskiego poboru prądu. Ale procesor systemu, produkcji AvalonRF, musi być dostatecznie mocny, aby obsłużyć przetwarzanie, przechwytywanie i przekazywanie obrazu wykonanego przez węzeł. Przykładowym zastosowaniem urządzenia jest monitorowanie oddalonych instalacji bezpieczeństwa, takich jak zbiornik wody lub elektrownia. System musi być zdolny do działania przez dziesięć lat przy wykorzystaniu pierwotnie zainstalowanej baterii litowej. Jeżeli czujnik samoczynnie się wyłączy, urządzenie budzi się, przechwytuje, przetwarza i przekazuje obraz do decydenta, który określa przyczynę zdarzenia.

Autor: MARGRERY CONNER EDN Magazine

Linki sponsorowane

	Almanach Produkcji w Polsce Kompleksowy katalog w wersji on-online oraz drukowanej majacy na celu dostarczenie użytecznych informacji o dostawcach dla przemysłu jak i oferowanych przez nich produktach.
	Produkcja od A do Z w samym sercu polskiego przemysłu Zapraszamy Państwa na VI edycję Targów Produkcji i Technologii PROTECH, które ponownie zagoszczą we Wrocławiu.