Come misurare correttamente il consumo energetico dei moduli di comunicazione wireless nell'era del basso consumo energetico?: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Il basso consumo energetico è un concetto estremamente importante nell'Internet delle cose. La maggior parte dei nodi IoT deve essere alimentata da batterie. Solo misurando correttamente il consumo energetico del modulo wireless possiamo stimare con precisione quanta batteria è necessaria per la durata della batteria di 5 anni. Questo articolo spiegherà i metodi di misurazione dettagliati per te.

In molte applicazioni dell'Internet of Things, i dispositivi terminali sono generalmente alimentati a batteria e hanno una potenza disponibile limitata. A causa dell'autoscarica della batteria, l'uso effettivo di elettricità nel peggiore dei casi è solo circa il 70% della potenza nominale. Ad esempio, la batteria a bottone CR2032 comunemente usata, la capacità nominale di una batteria è di 200 mAh e in realtà è possibile utilizzare solo 140 mAh.

Poiché la potenza della batteria è così limitata, è importante ridurre il consumo energetico del prodotto! Diamo un'occhiata ai metodi comunemente usati per misurare il consumo di energia. Solo quando questi metodi di misurazione del consumo energetico sono chiari è possibile ottimizzare il consumo energetico del prodotto.

Passaggio 1: in primo luogo, misurazione del consumo energetico

Il test di consumo energetico del modulo wireless serve principalmente a misurare la corrente, e qui è diviso in due diversi test di corrente di riposo e corrente dinamica. Quando il modulo è in stato di sospensione o standby, poiché la corrente non cambia, mantenere un valore statico, lo chiamiamo corrente di riposo. In questo momento, possiamo utilizzare un multimetro tradizionale per misurare, basta collegare un multimetro in serie al pin di alimentazione per ottenere il valore di misurazione richiesto, come mostrato in Figura 1.

Passo 2:

Quando si misura la corrente di emissione della modalità operativa normale del modulo, la corrente totale è in uno stato di variazione a causa del breve tempo necessario per la trasmissione del segnale. La chiamiamo corrente dinamica. Il tempo di risposta del multimetro è lento, è difficile catturare la corrente che cambia, quindi non è possibile utilizzare il multimetro per misurare. Per modificare la corrente, è necessario utilizzare l'oscilloscopio e la sonda di corrente per misurare. Il risultato della misurazione è mostrato in Figura 2.

Passaggio 3: secondo, il calcolo della durata della batteria

I moduli wireless hanno spesso due modalità di funzionamento, modalità operativa e modalità di sospensione, come mostrato nella Figura 3 di seguito.

Passaggio 4:

I dati di cui sopra provengono dal nostro prodotto LM400TU. Secondo la figura sopra, l'intervallo di trasmissione tra due pacchetti di trasmissione è 1000 ms e viene calcolata la corrente media:

In altre parole, la corrente media è di circa 2,4 mA in 1 secondo. Se utilizzi un alimentatore CR2032, idealmente puoi utilizzare circa 83 ore, circa 3,5 giorni. E se estendiamo il nostro orario di lavoro a un'ora? Allo stesso modo, si può calcolare con la formula sopra che la corrente media all'ora è solo 1,67 uA. La stessa sezione della batteria CR2032 può supportare l'attrezzatura per lavorare 119, 760 ore, circa 13 anni! Dal confronto dei due esempi precedenti, l'aumento dell'intervallo di tempo tra l'invio dei pacchetti e l'estensione del tempo di sospensione può ridurre il consumo energetico dell'intera macchina, in modo che il dispositivo possa funzionare più a lungo. Questo è il motivo per cui i prodotti nel settore della lettura dei contatori wireless vengono generalmente utilizzati per molto tempo perché inviano dati solo una volta al giorno.

Passaggio 5: terzo problema e cause comuni di alimentazione

Al fine di garantire il basso consumo energetico del prodotto, oltre ad aumentare il tempo di intervallo del pacchetto, si ha anche una riduzione del consumo di corrente del prodotto stesso, ovvero Iwork e ISleep di cui sopra. In circostanze normali, questi due valori dovrebbero essere coerenti con la scheda tecnica del chip, ma se l'utente non viene utilizzato correttamente, potrebbero verificarsi problemi. Quando abbiamo testato la corrente di emissione del modulo, abbiamo scoperto che l'installazione dell'antenna ha avuto un grande impatto sui risultati del test. Quando si misura con un'antenna, la corrente di un prodotto è di 120 mA, ma se l'antenna è svitata, la corrente di prova sale a quasi 150 mA. L'anomalia del consumo energetico in questo caso è principalmente causata dalla mancata corrispondenza dell'estremità RF del modulo, causando il funzionamento anomalo del PA interno. Pertanto, si consiglia ai clienti di eseguire il test durante la valutazione del modulo wireless.

Nei calcoli precedenti, quando l'intervallo di trasmissione diventa sempre più lungo, il ciclo di lavoro della corrente di lavoro diventa sempre più piccolo e il fattore più importante che influenza il consumo di energia dell'intera macchina è ISleep. Più piccolo è ISleep, più lunga sarà la vita del prodotto. Questo valore è generalmente vicino alla scheda tecnica del chip, ma spesso incontriamo una grande quantità di corrente di sospensione nel test di feedback dei clienti, perché?

Questo problema è spesso causato dalla configurazione dell'MCU. Il consumo energetico medio dell'MCU di un singolo MCU può raggiungere il livello mA. In altre parole, se accidentalmente si perde o non si abbina lo stato di una porta IO, è probabile che si distrugga il precedente progetto a bassa potenza. Facciamo un piccolo esperimento come esempio per vedere quanto influisce il problema.

Passaggio 6:

Nel processo di test di Figura 4 e Figura 5, l'oggetto di prova è lo stesso prodotto e la stessa configurazione è la modalità di sospensione del modulo, che può ovviamente vedere la differenza dei risultati del test. Nella Figura 4, tutti gli I/O sono configurati per l'ingresso pull-down o pull-up e la corrente testata è solo 4.9uA. Nella Figura 5, solo due degli IO sono configurati come ingressi flottanti e il risultato del test è 86.1uA.

Se la corrente di funzionamento e la durata della Figura 3 vengono mantenute costanti, l'intervallo di trasmissione è di 1 ora, il che comporta diversi calcoli della corrente di sospensione. Secondo i risultati della Fig. 4, la corrente media all'ora è 5,57 uA e, secondo la Fig. 5, è 86,77 uA, che è circa 16 volte. Inoltre, utilizzando un alimentatore a batteria CR2032 da 200 mAh, il prodotto secondo la configurazione della Figura 4, può funzionare normalmente per circa 4 anni e, secondo la configurazione della Figura 5, questo risultato è solo di circa 3 mesi! Come si può vedere dagli esempi precedenti, è necessario seguire i seguenti principi di progettazione per massimizzare la durata di utilizzo del modulo wireless:

1. A condizione di soddisfare i requisiti applicativi dei clienti, estendere il più possibile l'intervallo di invio dei pacchetti e ridurre la corrente di lavoro durante il periodo di lavoro;

2. Lo stato IO dell'MCU deve essere configurato correttamente. Gli MCU di produttori diversi possono avere configurazioni diverse. Fare riferimento ai dati ufficiali per i dettagli.

LM400TU è un modulo core LoRa a bassa potenza sviluppato da ZLG Zhiyuan Electronics. Il modulo è progettato con la tecnologia di modulazione LoRa derivata dal sistema di comunicazione militare. Combina un'esclusiva tecnologia di elaborazione che amplia lo spettro per risolvere perfettamente piccoli volumi di dati in ambienti complessi. Il problema della comunicazione ultra lunga distanza. Il modulo di trasmissione trasparente della rete LoRa incorpora il protocollo di trasmissione trasparente della rete auto-organizzante, supporta la rete auto-organizzata a un pulsante dell'utente e fornisce un protocollo di lettura contatore dedicato, protocollo CLAA e protocollo LoRaWAN. Gli utenti possono sviluppare direttamente applicazioni senza spendere molto tempo sul protocollo.