L’importanza del risparmio energetico per un Microcontrollore

Spesso non ci pensiamo perchè lo si da troppe volte per scontato, ma al giorno d'oggi tutti i dispositivi che usiamo quotidianamente (dallo spazzolino automatico all'automobile, dallo scaldabagno alle sveglie, etc.) utilizzano uno o più microcontrollori (MCU). Numero che, tra l'altro, è destinato ad aumentare vertiginosamente nei prossimi anni visto il sempre più crescente mercato dei dispositivi basati sull'Internet delle Cose (IoT). Storicamente i microcontrollori sono stati scelti perchè in grado di risolvere un elevato numero di operazioni in poco tempo. La sfida di oggi è la necessità di risolvere operazioni sempre più complesse, nel minor tempo possibile e consumando sempre meno. Sarebbe molto sconveniente (e anche molto scomodo) dover ricaricare ogni giorno tutti i dispositivi a batteria; per questo l'efficienza energetica è uno degli aspetti fondamentali quando si parla di progettazione. 

Caricare quotidianamente i dispositivi a batteria che si usano più frequentemente è uno dei problemi che caratterizza molti dispositivi. Per questo, in fase di progettazione, si punta sempre più a realizzare strumenti dall'elevata efficienza energetica. Se si osservano a livello strutturale tutte le applicazioni embedded (tutti quei dispositivi progettati appositamente per una determinata applicazione e non riprogrammabili dall'utente per altri scopi) si potrà notare come tutti hanno una logica molto comune di funzionamento. Tutti i componenti utilizzati sono connessi tra di loro in modo tale da sfruttare al massimo le potenzialità, comunicando nel modo più efficiente possibile.

Ogni zona ha un funzionamento autonomo rispetto alle altre ma tutte lavorano in modo congiunto

Figura 1: schema di funzionamento per dispositivi embedded

Studiando lo schema generale di funzionamento per i dispositivi embedded  illustrato nella Figura 1, si può notare come le sei zone non siano connesse tra di loro; questo vuol dire che ogni parte è autonoma rispetto alle altre, ma il sistema non funzionerebbe se non ci fosse la collaborazione tra tutte queste zone. I principali dispositivi sono caratterizzati dall'avere, quindi, vari blocchi di funzionamento che possono essere generalizzati in varie macroaree. Il primo è il blocco di alimentazione che è collegato alla batteria e gestisce tutto ciò ad essa connessa come l'immagazzinamento e la raccolta dell'energia, assieme ad eventuali regolazioni. Il blocco che gestisce i sensori in ingresso è quello che riceve i dati dai sensori collegati e che li tratta in modo opportuno (i sensori connessi possono essere di vario tipo come per esempio una termoresistenza, un GPS, un sensore touch, etc.). In modo duale lavora il blocco che gestisce tutti gli attuatori d'uscita (per esempio display, led, audio, etc.). I blocchi che regolano la connettività, invece, sono due in quanto si differenziano a seconda che si stia parlando di connettività wireless (USB, Ethernet, CAN BUS, etc.) e via cavo (NFC, Bluetooth, ZigBee, etc). Il microcontrollore (MCU), poi, è il "cervello" di tutto il dispositivo e si appoggia ad un altro blocco che è quello che funge da supporto al MCU e che contiene altri processori e tutte le memorie necessarie.

Dietro questa divisione c'è uno scopo ben preciso: l'avere diverse modalità di funzionamento per i singoli blocchi. Oltre alle modalità on/off esistono anche una serie di modalità intermedie che possono far funzionare il dispositivo in modo tale da consumare meno corrente possibile in base a ciò che il dispositivo deve fare. Tutto questo è pensato per aumentare l'efficienza energetica dell'intero dispositivo.

Fonti di alimentazione

I dispositivi embedded possono essere alimentati in una molteplice serie di modi a seconda dell'applicazione e dell'uso che se ne andrà poi a fare. Se si considerano le alimentazioni a cavo si deve ragionare in 110V - 240V AC, 12V DC o su livelli personalizzati. Se si pensa di alimentare il dispositivo con delle batterie si deve fare una scelta tra il tipo di batteria (Coin cell, Li-Ion, alcaline, etc.) e la portata della corrente della stessa. Se, invece, si pensa di usare fonti di raccolta si deve ragionare in termini di immagazzinare la luce, le vibrazioni, energia termica o altro. Infine, esistono anche metodi di alimentazione wireless che prevedono sempre la luce ma anche onde elettromagnetiche.

Non è detto che un'applicazione debba avere solo una di queste alimentazioni, può integrarne al suo interno anche due o più. Si pensi per esempio ad un sistema alimentato a cavo e che, per qualche motivo, si interrompa l'erogazione di corrente. Se questo non è dotato di dispositivi ausiliari (per esempio delle batterie) smetterebbe di funzionare.

Durante la fase di progettazione bisogna porsi una serie di domande per decidere quale alimentazione usare:

  • Il mio dispositivo deve avere la possibilità di essere spostato?
  • Ogni quanto il mio dispositivo dovrà andare in manutenzione?
  • Quanto costa l'alimentazione che vorrei usare?
  • Quali restrizioni fisiche deve avere il mio dispositivo?

Il design del dispositivo cambia in base al tipo di alimentazione che viene utilizzata. In caso si scelga di utilizzare una batteria bisogna riuscire a trovare un compromesso tra batteria, estetica e costi. Si prendano, per esempio, due tipi molto comuni di batterie per capire quale sia il migliore in una data applicazione:  la CR2032 e la CR1616 (illustrate nella Figura 2).

La CR2032 eroga 210mAh. La CR1616 eroga 55mAh

Figura 2: le batterie CR1616 (a sinistra) e CR2032 (a destra)

Se, per esempio, si vuole avere una durata della batteria di tre anni, nel caso si scelga la CR2032 si deve considerare che il consumo medio di corrente deve essere inferiore a 8 μA; se si optasse, invece, per la CR1616 si avrà un consumo medio inferiore a 2μA. Usando però la CR1616 si avrebbe un dispositivo più piccolo come dimensioni in quanto le grandezze fisiche delle due batterie sono molto differenti. La CR2032 ha come dimensioni di 20mm X 3.2mm mentre la CR1616 16 mm X 1.6mm.

Generalmente le soluzioni a raccolta di energia sono quelle più accattivanti dal punto di vista estetico. L'unica pecca è che per avere l'energia necessaria la si deve solo generare in prossimità del dispositivo. Paragonando questa soluzione con l'uso delle batterie sorgono spontanee due domande: quanto è facile recuperare l'energia necessaria? Quanto vale l'efficienza della conversione? Per capire quanto queste domande siano indispensabili, si prenda come esempio l'energia solare: i pannelli solari generano (sotto l'effetto delle luce diretta) 10 mW/cm2, prestazioni che possono decadere (10 μW/cm2) nel caso ci si trovi in una stanza e non all'aperto. Un fattore 1000 che determina se la fonte di alimentazione scelta sia o meno la più corretta.

Per ultimi ci sono i dispositivi alimentati wireless. Apparentemente sono molto simili a quelle con raccolta di energia, ma la differenza è sostanziale. In questo caso l'energia viene "catturata" attraverso una bobina che sfrutta il campo magnetico come fonte di ricarica. Così facendo il dispositivo non è più trasportabile, come nel caso precedente, durante la ricarica ma la distanza tra trasmettitore del campo magnetico e il ricevitore deve essere minima. Per calcolarla esattamente si deve prendere in considerazione la grandezza della bobina. Un altro metodo di alimentazione wireless è caratterizzato dalle onde radio. Sfruttando le beamforming techniques (solitamente usate per le antenne) un trasmettitore manda un segnale portante caratterizzato dall'avere sufficiente energia per l'antenna ricevente. Per questo tipo di tecnica si deve prestare particolare attenzione all'efficienza di trasmissione del segnale.

Non esiste un tipo di alimentazione più corretto o più sbagliato rispetto ad un altro; l'importante è riuscire a progettare un dispositivo che abbia il tipo di alimentazione più consono al proprio uso.

Efficienza energetica dei sensori

Senza sensori non  ci sarebbero la gran parte delle applicazioni che si usano quotidianamente; infatti è come se fossero gli occhi del dispositivo. Per quanto i sensori siano indispensabili, e quindi necessitino di una corrente per alimentarli (nel caso di sensori passivi) si deve fare attenzione alla quantità di corrente che "facciamo consumare al sensore". Una progettazione errata dell'applicazione causerebbe un eccessivo consumo di corrente con conseguente riduzione della vita della batteria. Si prendano in esempio i sensori illustrati nella Figura 3.

I parametri illustrati sono la corrente di consumo e di riposo

Figura 3: caratteristiche tecniche di tre diversi tipi di sensori

Quando si pensa ad un'applicazione sensorizzata uno dei primi approcci è quello lineare: lasciare acceso sempre in sensore, permettendogli di funzionare tutto il tempo per rilevare qualsiasi variazione. Si prenda come esempio il sensore di temperature della Figura 3 (il termistore NTC). Lasciando acceso in continuazione il sensore, questo consumerà 33 μA; può sembrare un basso valore di corrente ma se lo si paragona a quanto produce una cella solare (circa 10 μA, più di tre volte meno) si può intuire facilmente quanto sia dispendioso lasciare l'NTC sempre acceso. Si può quindi affermare che si ha un problema da risolvere. Prendiamo in considerazione la Figura 4.
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4 Commenti

  1. Stefano Lovati Stefano Lovati 31 gennaio 2019
  2. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 1 febbraio 2019
  3. maurisat maurisat 4 febbraio 2019

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