Энергопотребление устройств IoT

Интернет вещей (IoT) – популярное модное слово в промышленном секторе, имеющее ряд значений. Хотя IoT может предполагать взаимодействие с автоматизированной роботизированной системой или системой управления из удаленного места, он также может означать хранение и отображение данных процесса в приложении, к которому можно получить удаленный доступ.

Для контроля и/или сбора данных на промышленных устройствах требуются специальные датчики или контроллеры, которые могут подключаться к облачным сервисам для удаленного доступа. Когда эти системы используются удаленно, им требуется батарея или другой источник питания. Интегратор оборудования должен гарантировать, что источник питания будет поддерживаться в течение всего жизненного цикла этих устройств.

Важно понимать энергопотребление этих устройств, исследовать конструкции аппаратного и программного обеспечения, которые продлевают срок службы батареи, и сравнивать различные источники питания, которые можно использовать с устройствами IoT.

Потребляемая энергия сильно зависит от особенностей и функций устройства. Например, представьте себе простой модуль датчика температуры IoT, который может включать в себя следующее:

• Датчик для контроля температуры, который может потреблять до 1 мА
  
• Возможность беспроводной передачи, такая как Wi-Fi или Bluetooth. Bluetooth может потреблять ток до 17,5 мА в процессе передачи и приема. В спящем режиме потребление тока может быть снижено до 4 мА
  
• Встроенная регистрация данных потребляет ток в зависимости от объема данных и частоты, с которой данные регистрируются. Обычно память EEPROM может потреблять около 100 мкА только при записи или чтении данных
  
• Пассивная и полупроводниковая электроника для поддержки всех этих функций может включать резисторы, транзисторы, диоды, конденсаторы и ИС. Все эти компоненты будут иметь некоторый уровень потребления тока
  

Чтобы определить время автономной работы устройства IoT, необходимо рассчитать общий ток, потребляемый системой. Для небольших встроенных датчиков это потребление тока будет довольно небольшим. Однако по мере увеличения количества функций увеличивается и энергия, необходимая для выполнения этих функций. Как только станет известно потребление тока, определите емкость аккумулятора в амперах или миллиампер-часах. Эти данные берутся из спецификаций от производителя и иногда печатаются непосредственно на аккумуляторе. Следующая формула определяет срок службы батареи.

Срок службы аккумулятора/батареи (ч) = Емкость (Ач) / Потребляемый ток (А)

Изменив эту формулу, мы могли бы в качестве альтернативы определить требуемую емкость батареи, необходимую для работы системы в течение заданного периода времени. Очевидно, что максимальное снижение потребляемого тока позволяет системе работать дольше, даже при ограниченной емкости батареи.

Типы батарей и срок службы

Когда устройствам требуется дистанционное перезаряжаемое питание, мы обычно думаем о никель-металлогидридных (NiMH) или никель-кадмиевых (NiCd) батареях. NiMH-аккумуляторы легко доступны на рынке, но недостатком NiMH-аккумуляторов является их скорость разряда 10-15% в течение первых 24 часов после зарядки. Этот всплеск разряда не подходит для устройства IoT, которому требуется постоянная мощность в течение многих лет использования.

Другим вариантом является литий (Li-ion), который имеет очень высокую плотность энергии в сочетании с низкой утечкой тока. Типичный литий-ионный или никель-металлгидридный аккумулятор имеет скорость зарядки-разрядки около 500 циклов на элемент. Такой низкий цикл зарядки не подходит для длительного хранения, которое потребуется устройству IoT, если батарею нельзя заменить.

Увеличение срока службы батареи

Чтобы устройство IoT прослужило годы, производители используют Bluetooth с низким энергопотреблением в качестве технологии беспроводной сети. Эти устройства Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) могут подключаться к центральному концентратору, где сигналы могут обрабатываться и предоставляться в облачную интернет-службу. Устройства WiFi могут потреблять до десяти раз больше тока, чем сопоставимое устройство BLE.

Препятствия являются самым большим ограничивающим фактором для BLE, но типичные сигналы могут распространяться на расстояние 40-400 м, а некоторые модели дальнего действия достигают 1000 м. Эффективное энергопотребление важно, поскольку эти устройства будут получать питание 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Некоторые устройства могут находиться в удаленных или труднодоступных местах, например, в ядерном реакторе или кардиомониторе. Поскольку устройства IoT становятся меньше, потребность в эффективном энергопотреблении становится еще более очевидной.

Чтобы увеличить или сохранить срок службы батареи, есть несколько приемов, которые можно реализовать при проектировании устройства IoT. Один из приемов заключается в том, чтобы максимально уменьшить мощность, когда устройство не осуществляет активный мониторинг или передачу данных. Этот режим обычно называют «режимом ожидания» или «спящим» режимом, и в нем остается включенным только самое необходимое, а все другие функции или функции отключены. Режим «ожидания» или «спящий» режим может быть запрограммирован в прошивке устройства, так что клиенту или конечному пользователю не нужно будет вносить какие-либо настройки. Устройство автоматически выходит из режима ожидания, когда этого требует система. Некоторые устройства даже позволяют использовать дополнительную функцию «глубокого сна», чтобы уменьшить количество дополнительных функций. Эти небольшие схемы могут работать много лет с одной батареей.

Другим вариантом энергосбережения является анализ энергопотребления системы на основе событий и разработка эффективных схем внутри устройства. Энергопотребление устройства отслеживается при возникновении различных системных или экологических событий. Затем собранные данные будут проанализированы, и разработчики смогут внести изменения в устройство в надежде повысить эффективность энергопотребления.

Источники энергии

Аккумуляторы – это первый распространенный источник энергии, который приходит на ум для удаленных приложений, но с низкими требованиями к мощности солнечная, ветровая, гидро- или даже человеческая энергия может обеспечить дополнительную удаленную энергию для устройства IoT. Солнечные панели – это зрелая технология, использующая солнечные ультрафиолетовые лучи для выработки электроэнергии. Типичная мини- или небольшая солнечная панель может производить от 0,4 до 4 Вт энергии и может иметь размеры всего 0,6 x 2,55 дюйма. Для производства небольшого количества энергии эти альтернативные источники энергии превосходны, но батарея все еще требуется для сохранения энергия.

Конденсаторы имитируют функцию батареи и могут использоваться в очень маленьких электрических устройствах.

Перспективные источники питания

Некоторые устройства IoT очень малы или находятся в местах, где замена батареи нецелесообразна, например мониторы работоспособности или мониторы окружающей среды. Эти устройства могут использовать вибрации или солнечный свет для выработки электроэнергии, но им все равно необходимо хранить выработанную энергию. К счастью, уже есть электронные устройства, которые имитируют работу батареи, сохраняя и разряжая энергию. Конденсатор уже много лет используется в электронике и выполняет действие, аналогичное батарее.

Инженеры экспериментируют с небольшими суперконденсаторами, похожими на обычные конденсаторы, но с гораздо большей емкостью хранения энергии. Затем эти конденсаторы можно интегрировать в очень маленькие электрические устройства, чтобы обеспечить место для хранения энергии, которая вырабатывается по изменчивому графику. Как правило, эти суперконденсаторы могут иметь срок службы примерно 100 000 циклов зарядки и разрядки по сравнению с ранее обсуждавшимися батареями, срок службы которых ограничен примерно 500 циклами. В то время как хранение энергии остается одной из самых серьезных проблем для небольших устройств IoT, эти многообещающие достижения ставят конденсаторную технологию в конкуренцию за будущее внедрение.

Самая большая задача в области IoT

Устройствам IoT требуются постоянные источники питания, и, в зависимости от функций, обеспечиваемых устройством IoT, количество энергии может быть довольно небольшим или довольно большим. В то время как у производителей есть некоторые хитрости по энергосбережению, возможность поддерживать питание устройства, когда оно интегрировано в поле, действительно является проблемой на миллион долларов в мире IoT.

© digitrode.ru

Теги: Интернет вещей