دیگر نگران تامین باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا وایرلس نباشید!

در دنیایی با این سرعت گسترده در اینترنت اشیا و اتوماسیون آنچه که بسیار دارای اهمیت است، باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا می‌باشد.

پیش بینی می شود تعداد دستگاه‌های اینترنت اشیاء متصل، تا سال 2030 به 125 میلیارد دستگاه برسد! باور این امر دشوار نیست، زیرا هزینه‌ای که مردم جهان برای اینترنت اشیاء کرده‌اند، در سال 2019 به 745 میلیارد دلار رسید. در این زمینه، طراحان لوازم الکترونیکی تحت فشار هستند تا طراحی ها را بهینه کنند. برای مثال عمر باتری.

در این مقاله، Dunstan Power، مدیر طراحی ByteSnap، نکات مهمی را در طراحی سیستم های رادیویی وایرلس کم مصرف ارائه می‌دهد.

عمل متعادل سازی

کاهش مصرف برق دستگاه در حین تلاش برای دستیابی به سطح مطلوب عملکرد یکی از چالش برانگیزترین جنبه‌های طراحی‌های کم مصرف است. هر دستگاه وایرلس کم قدرت موثری که در حال حاضر موجود است، نتیجه یک عمل متوازن سازی موفق است. جایی که توسعه دهندگان اولویت‌های خود را سنجیده و مجموعه‌ای از مصالحه‌ها را انجام داده‌اند که منجر به عملکرد یک دستگاه شده است.

طراحی نرم افزار برای باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا

انتخاب سیستم که در ابتدای پروژه انجام می شود، تعیین می کند که چه چیزی می‌تواند به دست بیاید. طراحی برای قدرت کم از ابتدا توصیه می شود، که اولین مورد آن نوع رادیویی برای استقرار است. این انتخاب از رادیوهای با برد کوتاه، مانند ZigBee  Thread ، بلوتوث و Wi-Fi گرفته تا رادیوهای با برد بلند، از جمله سیستم های رادیویی سلولی ، LoRa ، SigFox و Weightless.

برخی از طول موج‌های رادیویی بسیار بهتر از بقیه طول موج‌ها پخش می شوند. که به معنی افزایش بازده توان است. فرکانس‌های پایین‌تر تمایل به انتشار بهتر از فرکانس‌های بالاتر دارند. اما سازش این است که سرعت داده‌های بالقوه کاهش می‌یابد. فرکانس‌های بالاتر تمایل دارند مسافت‌های کوتاه تری را پوشش دهند. اما پهنای باند بیشتری دارند و سرعت انتقال آنها بیشتر است. هرچه سیگنال‌ها مسافت بیشتری نیاز داشته باشند، به طور کلی می توانید از سرعت کمتری استفاده کنید.

همچنین توپولوژی سیستم رادیویی را در نظر بگیرید.

این می تواند کارایی و سرعت سیستم را در صورت مدیریت صحیح افزایش دهد. توپولوژی ستاره زمانی ایده آل است که دستگاه اصلی از باتری تغذیه نکند و بتواند بار شبکه را به تنهایی مدیریت کند. متناوباً، در جایی که همه دستگاه‌ها دارای توان کم هستند، یک شبکه مش با چندین تکرار کننده می تواند مناسب تر باشد.

انتخاب میکروکنترلر معمولاً ساده است و یک طراح معمولاً خانواده/سازنده ای دارد که با آنها آشنا است. اکثر پردازنده های کوچک این روزها مبتنی بر PIC-  AVR-  ARM-دارای حالت‌های قدرت کم هستند که می توان از آنها برای کاهش قدرت مورد نیاز در حین کار استفاده کرد. آنها به یک وقفه متکی هستند تا دوباره آنها را از خواب بیدار کنند. بسیاری از آنها همچنین دارای سیستم بیداری سریع هستند تا بتوانند زمان خود را به حداقل برسانند و در نتیجه قدرت مصرفی را کاهش دهند.

محدوده وایرلس کم مصرف

محدوده وایرلس کم مصرف به این معنی است که انتخاب باتری در هر پروژه متفاوت است. با این حال‌، هنگامی که سیستم رادیویی نیاز به انفجار نادر جریان دارد، یا باتری نیاز به شارژ مجدد دارد، گزینه ها اغلب به سرعت محدود می شوند.

برگه های داده سازنده باتری می تواند کمک کننده باشد، اما اکثر آنها منحنی تخلیه باتری را بر اساس تخلیه جریان ثابت نشان می دهند. و معمولاً در جریان بیشتری نسبت به سیستم کم مصرف استفاده می شود. برای درک اینکه در سیستم کم مصرف چه اتفاقی می افتد باید از برخی از درون‌یابی‌ها استفاده کرد.

همچنین، سیستم‌های رادیویی مانند این معمولاً هنگام خواب از حداقل قدرت استفاده می کنند. و در هنگام بیدار شدن برای دریافت و انتقال به پالس های زیادی از جریان نیاز دارند. برخی از باتری ها برای این کار مناسب نیستند.

عوامل محیطی نیز بر انتخاب باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا

عوامل محیطی نیز بر انتخاب باتری و استفاده از آنها تأثیر می گذارد. محیط سرد بر روی باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا باعث کاهش ولتاژ باتری و طول عمر مفید باتری دستگاه می شود. درجه حرارت بالا همچنین می تواند بر برخی از باتری ها تأثیر منفی بگذارد.

 در نتیجه فرآیند انتخاب باتری تکراری است. برای یافتن بهترین گزینه، ارزش آزمایش چند نوع متناسب با مشخصات را دارد.

پس از انتخاب باتری ، نقطه قطع باید تعیین شود. به طور کلی برای سیستم‌های بسیار کم مصرف، در مورد قطعاتی که عملکرد آنها با ولتاژ تغییر می کند احتیاط بیشتری لازم است. به عنوان مثال، نمایشگرهای LCD و LEDها دارای باتری هایی هستند که می توانند تا حدی کاهش پیدا کنند که کنتراست از بین برود. یا LED ها خاموش شوند. برای بهترین تجربه کاربر، باید اطمینان حاصل کنید که ولتاژ باتری که به آن کار می کنید برای کارکردن کافی است.

تقویت کننده برای باتری‌ها

اگر سیستم به ولتاژ ورودی نیاز دارد (هنگامی که نقطه قطع به دست می آید. در حالی که ظرفیت باتری هنوز باقی مانده است. برای مثال اگر یک سیستم اسمی 3 ولت در 2.5 ولت قطع شود)، ممکن است برای این حالت یک تنظیم کننده تقویت کننده لازم باشد. در انجام این کار باید سازش هایی را در نظر گرفت:

· تنظیم کننده باید روی چه ولتاژی تنظیم شود؟

· کارایی رگولاتور چقدر است و چگونه با ولتاژ ورودی متفاوت است؟

· وقتی ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ تنظیم شده باشد، یعنی هنگامی که باتری‌های جدید نصب می شوند، چه اتفاقی می‌افتد؟

· آیا نیرویی که توسط تنظیم کننده به دلیل ناکارآمدی هدر می رود، هیچگونه افزایش در ظرفیت را لغو نمی‌کند؟

· آیا یک مبدل تقویت کننده می‌تواند از ظرفیت باتری با تخلیه آن به ولتاژ زیر سیستم خاموش شود به طور کامل استفاده کند؟