Calcolo della durata della batteria nelle applicazioni IoT

Internet ha cambiato radicalmente il modo in cui progettiamo la maggior parte dei sistemi elettronici, in qualsiasi cosa, dalla segnaletica alle fermate degli autobus ai complessi sistemi industriali che ora utilizzano la connettività come parte fondamentale della loro funzionalità. Probabilmente il cambiamento più grande, tuttavia, è l'introduzione di sistemi di sensori che raccolgono dati e trasmettono le informazioni al cloud. Questi vanno dal monitoraggio della temperatura e controllo del riscaldamento nelle abitazioni ai sistemi di localizzazione delle aziende logistiche.

A differenza di molti sistemi connessi più grandi, queste piccole "cose" spesso non hanno accesso all'alimentazione di rete. Ciò significa che devono avere un mezzo per autoalimentarsi, qualcosa che si ottiene usando le batterie o l'energy harvesting.
Per molte applicazioni, l'energy harvesting offre la soluzione più promettente. Poiché l'energia richiesta dal sistema viene prelevata dall'ambiente, utilizzando tecnologie dai pannelli solari ai sistemi che utilizzano l'energia del movimento o anche premendo un interruttore, l'energy harvesting offre la prospettiva di un funzionamento indefinito se il dispositivo può essere progettato per utilizzare meno energia di quanta ne sia disponibile attraverso l'energy harvesting.
Sebbene ora sia possibile sviluppare un numero crescente di applicazioni a livelli ultra low-power richiesti per l'energy harvesting, molte altre non sono adatte a questo approccio. Probabilmente la potenza richiesta per l'elaborazione dei dati sul dispositivo è troppo elevata, i requisiti della communication technology sono troppo stringenti o semplicemente non c'è una buona fonte di energia da raccogliere. In questo caso sono necessarie le batterie per alimentare il sistema.
A differenza dei prodotti che utilizzano l'energy harvesting, che richiederanno meno energia di quella disponibile e quindi funzioneranno, le batterie dovranno essere sostituite ad un certo punto. Con il costo della sostituzione delle batterie spesso superiore al costo dello stesso dispositivo IoT, il calcolo della durata è fondamentale.

Fattori che influenzano la durata della batteria dei dispositivi IoT

La durata della batteria di un dispositivo IoT è determinata da un semplice calcolo: la capacità della batteria divisa per il tasso medio di scarica. Ridurre al minimo l'energia utilizzata dal dispositivo o aumentare la capacità della batteria aumenterà la durata della batteria e ridurrà il costo totale di proprietà del prodotto.
Poiché le batterie sono spesso la parte più grande di un sistema di sensori IoT, gli ingegneri hanno spesso una scelta limitata su quale utilizzare. Con una vasta gamma di processori, tecnologie di comunicazione e algoritmi software, tuttavia, il sistema può essere progettato per raggiungere la durata richiesta. Spesso i sensori IoT saranno progettati per funzionare per tutta la vita con la batteria originale, in quanto il costo di manodopera per la sostituzione è così elevato.

Un calcolatore per la durata della batteria IoT

Con la durata della batteria come parte critica di un progetto IoT, abbiamo sviluppato un calcolatore che vi consentirà di stimare la durata della batteria del vostro sistema IoT in modo rapido e semplice. Il calcolatore consente di immettere i parametri per il processore, il dispositivo di comunicazione, il sensore e la batteria, oltre a consentire di definire il modo in cui funziona il software, e quindi di stimare la durata della batteria del vostro progetto.
Questo prezioso strumento fornisce una prima stima per garantire che il vostro progetto IoT sia fattibile. Vi permetterà anche di sperimentare approcci differenti, mostrando l'impatto della modifica del processore, della tecnologia di comunicazione, della batteria o dell'algoritmo software.
L'IoT Battery Life Calculator assicura di non perdere tempo con prodotti che non possono raggiungere una durata della batteria accettabile. Questo articolo spiega il funzionamento del calcolatore e illustra come è possibile eseguire calcoli ancora più accurati, evidenziando dove il calcolatore non riflette esattamente il mondo reale.

IoT Processor Sleep Modes

I processori progettati per applicazioni IoT offrono una varietà di ultra low-power sleep modes. È previsto che il processore rimanga in questa modalità per la maggior parte del tempo, risvegliandosi solo per un breve periodo per raccogliere o elaborare dati o per trasmettere informazioni alla rete. Consideriamo il TI CC2650MODA. La Figura 1 mostra la corrente consumata quando si opera in differenti stati. Il consumo di energia varia di sei ordini di grandezza dall'arresto al funzionamento attivo.

Figura 1. Consumo energetico principale del TI CC2650MODA

A meno che il campionamento dei dati non sia molto raro, lo spegnimento del processore offre pochi vantaggi. Saranno necessari ulteriori circuiti e codice per riavviare, aumentando costi e complessità. Inoltre, le modalità di standby consumano meno di 3 µA, un livello che richiederebbe almeno otto anni per scaricare la batteria: più della durata di molti dispositivi IoT e della durata di conservazione di una batteria CR2032, quindi di solito ci sono pochi benefici nello spegnere completamente il processore.
La selezione della modalità standby appropriata può essere importante. Il più basso consumo energetico richiede circa un terzo della corrente dell'opzione di massima potenza, ma viene risparmiato molto poco dello stato del processore. Sebbene alcune applicazioni IoT dovranno selezionare le modalità di risparmio energetico più basse, molte sceglieranno di preservare la cache per ridurre al minimo il numero di cicli richiesti per eseguire l'elaborazione richiesta in modalità attiva.
L'elaborazione in modalità attiva è un trade-off. La Figura 1 mostra che il consumo energetico aumenta linearmente con la frequenza di clock grazie alla tecnologia CMOS utilizzata per processori IoT come questo. Pertanto, velocità di clock più elevate potrebbero sembrare equivalenti a una durata della batteria più breve, ma poiché esiste una corrente "base" di 1.45 mA, il tempo di riattivazione più breve necessario per eseguire lo stesso algoritmo a velocità di clock più elevate può significare che rallentare il clock è una falsa economia e riduce effettivamente la durata della batteria.
Il calcolo, tuttavia, non è così semplice: c'è anche un wake time finito per passare da una modalità all'altra. Quando si passa dalla modalità standby a quella attiva, il CC2650MODA richiede 151µs. Alla frequenza di clock massima di 48 MHz, ciò significa che l'alimentazione viene bruciata per oltre 7000 cicli di clock quando il processore si riattiva. Per le applicazioni in cui è necessaria solo una piccola quantità di codice, è probabile che il rallentamento dell'orologio per scambiare un tempo di esecuzione del codice più lungo con una potenza inferiore durante il wake-up prolungherà la durata della batteria. Allo stesso modo, minimizzare il numero di risvegli ed eseguire il maggior numero possibile di attività prima di tornare in standby può anche aumentare la vita della batteria.
Comprendere come bilanciare la velocità di clock, il numero di risvegli e il tempo di esecuzione è complesso, ma l'IoT Battery Life Calculator offre un modo ideale per sperimentare diversi scenari.

Consumo energetico periferico nelle applicazioni IoT

I moderni dispositivi IoT sono prodotti molto complessi che integrano molte periferiche per consentire una soluzione a chip singolo per molti requisiti. Spesso, tuttavia, i dispositivi IoT, in particolare i sensori semplici, non necessitano di questa funzionalità ed è quindi importante disattivare le periferiche non utilizzate.

Figura 2. Schema a blocchi del TI CC2650 MODA

La Figura 3 mostra il consumo energetico delle periferiche disponibili sulla famiglia TI CC2650MODA. Sebbene la corrente consumata dai vari dispositivi sia dell'ordine di decine o poche centinaia di µA, la loro disabilitazione può avere un impatto significativo. Se non è richiesta alcuna connettività seriale, è possibile salvare un totale di 318 µA. Anche se questo potrebbe non sembrare molto, questa corrente avrà un impatto significativo sulla durata della batteria e potrebbe essere utilizzata per aumentare la velocità di clock di 10 MHz, riducendo il tempo trascorso in modalità attiva di battery-draining.

Figura 3. Consumo energetico periferico del TI CC2650

Tecnologie di comunicazione IoT

La scelta della giusta tecnologia di comunicazione è spesso determinata dai requisiti di sistema. Per i sistemi IoT alimentati a batteria, ciò significa quasi sempre l'utilizzo di un collegamento RF: le comunicazioni cablate perderebbero tutti i vantaggi offerti dall'utilizzo della batteria per eliminare i cavi.
Per le comunicazioni wireless, una portata maggiore o una velocità di trasmissione dati più elevata richiederanno in genere un consumo di energia più elevato e pertanto la tecnologia di comunicazione a potenza più bassa che soddisferà queste esigenze è spesso la scelta più ovvia. Alimentare il sistema usando le batterie renderà impraticabili alcune tecnologie: ad esempio, una CR2032 non avrà una capacità sufficiente per supportare un modem 3G, sebbene batterie più grandi e gli sviluppi nella tecnologia cellulare per l'IoT stiano avendo un impatto.
Per i sensori IoT ci sono diverse tecnologie popolari. LoRa, ad esempio, offre la possibilità di costruire una WAN a basso consumo ed a lungo raggio su diversi km, mentre il Bluetooth Low Energy (BLE) comunica solo su brevi distanze, ma consuma molta meno corrente.
Un'altra decisione da prendere è se utilizzare un dispositivo on-chip o selezionare un chip separato per gestire le comunicazioni. In genere, l'on-chip offre un consumo energetico complessivo inferiore, sebbene a volte non sia possibile trovare una soluzione integrata e quindi un dispositivo separato è l'unica opzione.
La gestione dell'interfaccia di comunicazione è fondamentale, poiché anche le tecnologie di comunicazione a basso consumo esauriscono una batteria molto rapidamente e spesso i requisiti di elaborazione sono superiori a quelli dello stadio RF. Prendiamo ad esempio il TI CC2650MODA, che ha bisogno di 9.4 mA per alimentare il circuito di trasmissione che supporta BLE e IEEE 802.15.4: entrambi standard di comunicazione a bassissimo consumo. Questa corrente è tre volte quella assorbita dalla CPU quando funziona alla massima frequenza.
Per massimizzare la capacità della batteria dedicata alle comunicazioni, molti sistemi IoT eseguiranno alcune operazioni di pre-processing e raccolta dei dati, riattivando i circuiti di comunicazione solo quando dispongono di dati sufficienti per rendere utile la trasmissione. Analizzare l'impatto dell'aggregazione dei dati per ridurre la frequenza di trasmissione è semplice utilizzando l'IoT Battery Life Calculator.

Selezione di un sensore IoT per massimizzare la durata della batteria

Con molti dispositivi IoT progettati principalmente per acquisire dati ambientali, i sensori possono avere un impatto significativo sulla durata della batteria di un sistema IoT. La scelta della giusta tecnologia e la modalità operativa sono decisioni fondamentali.
Prendiamo un sensore di temperatura, per esempio. Un RTD (Resistance Temperature Detector) come Honeywell HEL-777 o un termistore (ad esempio Honeywell 135-104LAF-J01) cambia la resistenza con la temperatura. Una semplice applicazione, in cui la precisione non è importante, potrebbe utilizzare un divisore di tensione, ma i sistemi ad alta precisione avrebbero bisogno di una fonte di corrente, che richiederà più energia.
Per molte applicazioni, i sensori di temperatura integrati, come TI LM35DZ, sono una buona soluzione: questo dispositivo ha una precisione di ± ¼ °C a temperatura ambiente e assorbe solo 60 µA.
Qualunque sia il sensore scelto, è fondamentale che trae energia solo quando viene utilizzato. Alimentare il sensore quando il processore non sta eseguendo misurazioni spreca la capacità della batteria e anche l'LM36DZ a basso consumo assorbe circa 30 volte la corrente del processore CC2650MODA in modalità standby.

Comprendere le tecnologie della batteria per l'IoT

Diverse batterie sono popolari per le applicazioni IoT. Sempre più la "coin cell" CR2032 è il prodotto preferito perché offre un fattore di forma compatto con una capacità sufficiente per consentire ai prodotti IoT di funzionare per anni.
La prima cosa che si nota delle batterie sono i dati limitati disponibili per molte di esse. Oltre alle dimensioni fisiche e alla tensione di uscita, spesso l'unico altro parametro specificato è la capacità. La capacità della batteria è ovviamente fondamentale, dal momento che determina l'energia totale disponibile per il dispositivo IoT.
La qualità della batteria ha un impatto significativo sulla capacità. La semplice specifica di una cella CR2032 rischia di favorire l'acquisto di un dispositivo più economico con una capacità di molto inferiore, riducendo la durata della batteria del dispositivo IoT e mantenendo costi elevati di sostituzione della batteria per il futuro. Potrebbero esserci anche batterie con diversi prodotti chimici disponibili nel fattore di forma scelto: l'utilizzo di un prodotto chimico diverso può avere un impatto drammatico sulla durata della batteria.
Il calcolatore IoT element14 di Farnell offre una scelta di batterie CR2032, che utilizzano entrambe la chimica del biossido di litio e manganese. Una batteria, tuttavia, è specificata per offrire circa il 10% di capacità in meno rispetto all'altra, sebbene per molte applicazioni ciò possa essere giustificato dal fatto che è disponibile per meno della metà del prezzo della batteria di capacità superiore.

Le specifiche della batteria sono approssimazioni

Con le brevi schede tecniche fornite per molte batterie, è allettante supporre che le batterie siano dispositivi molto semplici. Il calcolatore IoT adotta un approccio simile e presuppone che la capacità della batteria sia fissa, ma in pratica questo non è vero: si consideri il Multicomp CR2032. La Figura 4 mostra come cambia la capacità con il carico e la temperatura.

Figura 4. Capacità della batteria Multicomp CR2032

La prima cosa che si nota è che una capacità di 210 mAh si basa su condizioni ottimali. Se il carico richiede più corrente, la durata si riduce drasticamente. Ancora più importante per alcune applicazioni, ad esempio il monitoraggio della temperatura degli elementi refrigerati, al diminuire della temperatura, la capacità della batteria diminuisce notevolmente.
Le applicazioni IoT assorbono corrente in impulsi. Il processore e il sensore potrebbero assorbire diversi mA per un breve scoppio e quindi passare in modalità a basso consumo per un lungo periodo di tempo. La corrente assorbita in impulsi provoca la caduta della tensione di uscita. La Figura 5 mostra che anche un carico impulsivo di 2 mA provocherà la caduta dell'uscita di un CR2032 da 3 V a circa 2.2 V.

Figura 5. Scarica a impulsi della batteria Multicomp CR2032

Durata della batteria e applicazioni IoT

La durata della batteria viene spesso ignorata dagli ingegneri: dopo tutto ciò si riferisce alla conservazione, piuttosto che all'utilizzo della batteria, giusto? Le applicazioni IoT, tuttavia, devono spesso funzionare per anni con una singola batteria, rendendo la vita della batteria un fattore critico.
Due specifiche determinano la durata di una batteria quando non viene utilizzata: la durata di conservazione e l'autoscarica. Laddove specificato, l'autoscarica di una batteria CR2032 è in genere solo dell'1-2% all'anno, ma ciò non significa che una batteria abbia una durata compresa tra 50 e 100 anni: in effetti, la maggior parte delle batterie offre una durata dichiarata di solo sette o otto anni. Questo apparente paradosso è dovuto al comportamento non lineare della chimica della batteria.
L'IoT Battery Life Calculator presuppone semplicemente che la batteria perda tutta la sua carica in modo lineare lungo la durata di conservazione indicata. Sebbene la realtà sia diversa, fa poca differenza per il risultato del calcolo se il dispositivo IoT analizzato ha una durata della batteria inferiore a un paio di anni e garantisce che il calcolatore produca una durata conservativa della batteria se il prodotto è progettato per funzionare per periodi avvicinandosi alla durata della batteria.

Conclusione: massimizzare la durata della batteria nelle applicazioni IoT

Lo sviluppo di un dispositivo IoT in grado di funzionare con una batteria richiede un'attenta progettazione. Sebbene la scelta dei componenti sia importante, le cattive scelte di progettazione possono compromettere i vantaggi di un processore a bassa potenza. La chiave per ottenere una buona durata della batteria è assicurarsi che il processore sia il più possibile in modalità standby a basso consumo e che l'uso delle comunicazioni wireless sia ridotto al minimo.
Con molti fattori che incidono sulla vita della batteria, può essere un compito complesso stimare la durata della batteria per un progetto e richiedere molto tempo per confrontare diversi approcci. Sebbene qualsiasi calcolatore faccia necessariamente delle approssimazioni, l'IoT Battery Life Calculator offre un modo semplice per testare le ipotesi e comprendere l'impatto della scelta di diversi algoritmi, componenti o tecnologie di comunicazione.

Articolo originale in inglese pubblicato sulla pagina web di Farnell

 

 

 

 

 

Scarica subito una copia gratis

Scrivi un commento

Seguici anche sul tuo Social Network preferito!

Send this to a friend