Como medir corretamente o consumo de energia dos módulos de comunicação sem fio na era do baixo consumo de energia ?: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

O baixo consumo de energia é um conceito extremamente importante na Internet das Coisas. A maioria dos nós de IoT precisa ser alimentada por baterias. Somente medindo corretamente o consumo de energia do módulo sem fio podemos estimar com precisão a quantidade de bateria necessária para a vida útil da bateria de 5 anos. Este artigo irá explicar os métodos de medição detalhados para você.

Em muitas aplicações da Internet das Coisas, os dispositivos terminais são normalmente alimentados por bateria e têm energia disponível limitada. Devido à autodescarga da bateria, o uso real de eletricidade no pior caso é de apenas cerca de 70% da potência nominal. Por exemplo, a bateria de botão CR2032 comumente usada, a capacidade nominal de uma bateria é 200mAh e, na verdade, apenas 140mAh podem ser usados.

Como a energia da bateria é muito limitada, é importante reduzir o consumo de energia do produto! Vamos dar uma olhada nos métodos comumente usados para medir o consumo de energia. Somente quando esses métodos de medição do consumo de energia são claros, o consumo de energia do produto pode ser otimizado.

Etapa 1: primeiro, medição do consumo de energia

O teste de consumo de energia do módulo wireless é principalmente para medir a corrente, e aqui é dividido em dois testes diferentes de corrente quiescente e corrente dinâmica. Quando o módulo está no estado de hibernação ou standby, porque a corrente não muda, mantém um valor estático, que chamamos de corrente quiescente. Neste momento, podemos usar um multímetro tradicional para medir, basta conectar um multímetro em série com o pino da fonte de alimentação para obter o valor de medição necessário, conforme mostrado na Figura 1.

Passo 2:

Ao medir a corrente de emissão do modo de operação normal do módulo, a corrente total está em um estado de mudança devido ao curto tempo necessário para a transmissão do sinal. Chamamos isso de corrente dinâmica. O tempo de resposta do multímetro é lento, é difícil capturar a mudança de corrente, então você não pode usar o multímetro para medir. Para alterar a corrente, você precisa usar o osciloscópio e a ponta de prova de corrente para medir. O resultado da medição é mostrado na Figura 2.

Etapa 3: em segundo lugar, o cálculo da vida útil da bateria

Módulos sem fio geralmente têm dois modos de operação, modo de operação e modo de hibernação, conforme mostrado na Figura 3 abaixo.

Passo 4:

Os dados acima são provenientes de nosso produto LM400TU. De acordo com a figura acima, o intervalo de transmissão entre dois pacotes de transmissão é de 1000 ms, e a corrente média é calculada:

Em outras palavras, a corrente média é de cerca de 2,4 mA em 1 segundo. Se você usar uma fonte de alimentação CR2032, pode usar idealmente cerca de 83 horas, cerca de 3,5 dias. E se estendermos nosso horário de trabalho para uma hora? Da mesma forma, pode ser calculado pela fórmula acima que a corrente média por hora é de apenas 1,67uA. A mesma seção da bateria CR2032 pode suportar o equipamento para trabalhar 119,760 horas, cerca de 13 anos! A partir da comparação dos dois exemplos acima, aumentar o intervalo de tempo entre o envio de pacotes e estender o tempo de hibernação pode reduzir o consumo de energia de toda a máquina, de modo que o dispositivo possa funcionar por mais tempo. É por isso que os produtos da indústria de leitura de medidores sem fio geralmente são usados por muito tempo, porque eles enviam dados apenas uma vez por dia.

Etapa 5: Terceiro, Causas e Problemas Comuns de Energia

Para garantir o baixo consumo de energia do produto, além de aumentar o tempo de intervalo do pacote, há também uma redução no consumo de corrente do próprio produto, ou seja, Iwork e ISleep mencionados acima. Em circunstâncias normais, esses dois valores devem ser consistentes com a folha de dados do chip, mas se o usuário não for usado corretamente, pode haver problemas. Quando testamos a corrente de emissão do módulo, descobrimos que a instalação da antena teve um grande impacto nos resultados do teste. Ao medir com uma antena, a corrente de um produto é de 120mA, mas se a antena for parafusada, a corrente de teste sobe para quase 150mA. A anomalia no consumo de energia neste caso é causada principalmente pela incompatibilidade da extremidade RF do módulo, fazendo com que o PA interno funcione de forma anormal. Portanto, recomendamos que os clientes façam o teste ao avaliar o módulo sem fio.

Nos cálculos anteriores, quando o intervalo de transmissão está ficando cada vez mais longo, o ciclo de trabalho da corrente de trabalho está ficando cada vez menor, e o maior fator que afeta o consumo de energia de toda a máquina é ISleep. Quanto menor for o ISleep, maior será a vida útil do produto. Esse valor é geralmente próximo ao da planilha de dados do chip, mas frequentemente encontramos uma grande quantidade de corrente de sono no teste de feedback do cliente, por quê?

Este problema é freqüentemente causado pela configuração do MCU. O consumo médio de energia do MCU de um único MCU pode atingir o nível de mA. Em outras palavras, se você acidentalmente perder ou não combinar o estado de uma porta IO, é provável que destrua o projeto anterior de baixo consumo de energia. Vamos dar um pequeno experimento como exemplo para ver o quanto o problema afeta.

Etapa 6:

No processo de teste da Figura 4 e Figura 5, o objeto de teste é o mesmo produto, e a mesma configuração é o modo de hibernação do módulo, que pode obviamente ver a diferença dos resultados do teste. Na Figura 4, todos os IOs são configurados para pull-down ou pull-up de entrada e a corrente testada é de apenas 4,9uA. Na Figura 5, apenas dois dos IOs são configurados como entradas flutuantes e o resultado do teste é 86,1uA.

Se a corrente de operação e a duração da Figura 3 forem mantidas constantes, o intervalo de transmissão será de 1 hora, o que traz diferentes cálculos de corrente de sono. De acordo com os resultados da Fig. 4, a corrente média por hora é 5,57 uA, e de acordo com a Fig. 5, é 86,77 uA, o que é cerca de 16 vezes. Utilizando também uma fonte de alimentação de bateria 200mAh CR2032, o produto conforme a configuração da Figura 4, pode funcionar normalmente por cerca de 4 anos, e de acordo com a configuração da Figura 5, esse resultado é de apenas cerca de 3 meses! Como pode ser visto nos exemplos acima, os seguintes princípios de design devem ser seguidos para maximizar a duração do uso do módulo sem fio:

1. Sob a condição de satisfazer os requisitos de aplicação dos clientes, estenda o intervalo de envio de pacotes tanto quanto possível, e reduza a corrente de trabalho durante o período de trabalho;

2. O status IO do MCU deve ser configurado corretamente. Os MCUs de diferentes fabricantes podem ter configurações diferentes. Consulte os dados oficiais para obter detalhes.

LM400TU é um módulo de núcleo LoRa de baixa potência desenvolvido pela ZLG Zhiyuan Electronics. O módulo é projetado com tecnologia de modulação LoRa derivada do sistema de comunicação militar. Ele combina tecnologia de processamento de ampliação de espectro exclusiva para resolver perfeitamente pequenos volumes de dados em ambientes complexos. O problema da comunicação à distância ultra longa. O módulo de transmissão transparente de rede LoRa incorpora o protocolo de transmissão transparente de rede auto-organizado, suporta a rede auto-organizada de um botão do usuário e fornece um protocolo de leitura de medidor dedicado, protocolo CLAA e protocolo LoRaWAN. Os usuários podem desenvolver aplicativos diretamente sem gastar muito tempo no protocolo.