¿Cómo medir correctamente el consumo de energía de los módulos de comunicación inalámbrica en la era de bajo consumo de energía ?: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

El bajo consumo de energía es un concepto extremadamente importante en Internet de las cosas. La mayoría de los nodos de IoT deben funcionar con baterías. Solo midiendo correctamente el consumo de energía del módulo inalámbrico podemos estimar con precisión cuánta batería se necesita para la vida útil de la batería de 5 años. Este artículo le explicará los métodos de medición detallados.

En muchas aplicaciones de Internet de las cosas, los dispositivos terminales generalmente funcionan con baterías y tienen una energía disponible limitada. Debido a la autodescarga de la batería, el uso real de electricidad en el peor de los casos es solo alrededor del 70% de la potencia nominal. Por ejemplo, la batería de botón CR2032 de uso común, la capacidad nominal de una batería es de 200 mAh y, en realidad, solo se pueden usar 140 mAh.

Dado que la energía de la batería es tan limitada, es importante reducir el consumo de energía del producto. Echemos un vistazo a los métodos más utilizados para medir el consumo de energía. Solo cuando estos métodos de medición del consumo de energía sean claros, se podrá optimizar el consumo de energía del producto.

Paso 1: Primero, medición del consumo de energía

La prueba de consumo de energía del módulo inalámbrico es principalmente para medir la corriente, y aquí se divide en dos pruebas diferentes de corriente de reposo y corriente dinámica. Cuando el módulo está en estado de suspensión o espera, debido a que la corriente no cambia, mantenga un valor estático, lo llamamos corriente de reposo. En este momento, podemos usar un multímetro tradicional para medir, solo necesitamos conectar un multímetro en serie con el pin de la fuente de alimentación para obtener el valor de medición requerido, como se muestra en la Figura 1.

Paso 2:

Al medir la corriente de emisión del modo de funcionamiento normal del módulo, la corriente total está en un estado de cambio debido al poco tiempo requerido para la transmisión de la señal. Lo llamamos corriente dinámica. El tiempo de respuesta del multímetro es lento, es difícil capturar la corriente cambiante, por lo que no puede usar el multímetro para medir. Para cambiar la corriente, debe usar el osciloscopio y la sonda de corriente para medir. El resultado de la medición se muestra en la Figura 2.

Paso 3: segundo, el cálculo de la duración de la batería

Los módulos inalámbricos suelen tener dos modos de funcionamiento, modo de funcionamiento y modo de suspensión, como se muestra en la Figura 3 a continuación.

Paso 4:

Los datos anteriores provienen de nuestro producto LM400TU. Según la figura anterior, el intervalo de transmisión entre dos paquetes de transmisión es de 1000 ms y se calcula la corriente promedio:

En otras palabras, la corriente promedio es de aproximadamente 2,4 mA en 1 segundo. Si utiliza una fuente de alimentación CR2032, idealmente puede utilizar unas 83 horas, unos 3,5 días. ¿Qué pasa si ampliamos nuestra jornada laboral a una hora? De manera similar, se puede calcular mediante la fórmula anterior que la corriente promedio por hora es solo 1.67uA. La misma sección de la batería CR2032 puede permitir que el equipo funcione 119, 760 horas, ¡aproximadamente 13 años! A partir de la comparación de los dos ejemplos anteriores, aumentar el intervalo de tiempo entre el envío de paquetes y extender el tiempo de suspensión puede reducir el consumo de energía de toda la máquina, de modo que el dispositivo pueda funcionar durante más tiempo. Esta es la razón por la que los productos de la industria de lectura de contadores inalámbricos se utilizan generalmente durante mucho tiempo porque solo envían datos una vez al día.

Paso 5: Tercero, problemas y causas comunes de energía

Para garantizar el bajo consumo de energía del producto, además de aumentar el tiempo de intervalo de paquetes, también hay una reducción en el consumo de corriente del producto en sí, es decir, Iwork e ISleep mencionados anteriormente. En circunstancias normales, estos dos valores deben coincidir con la hoja de datos del chip, pero si el usuario no se utiliza correctamente, puede haber problemas. Cuando probamos la corriente de emisión del módulo, descubrimos que la instalación de la antena tuvo un gran impacto en los resultados de la prueba. Cuando se mide con una antena, la corriente de un producto es de 120 mA, pero si se desatornilla la antena, la corriente de prueba se eleva a casi 150 mA. La anomalía del consumo de energía en este caso se debe principalmente a la falta de coincidencia del extremo de RF del módulo, lo que hace que el PA interno funcione de manera anormal. Por lo tanto, recomendamos que los clientes realicen la prueba al evaluar el módulo inalámbrico.

En los cálculos anteriores, cuando el intervalo de transmisión es cada vez más largo, el ciclo de trabajo actual de trabajo se hace cada vez más pequeño, y el factor más importante que afecta el consumo de energía de toda la máquina es ISleep. Cuanto menor sea el ISleep, mayor será la vida útil del producto. Este valor generalmente está cerca de la hoja de datos del chip, pero a menudo encontramos una gran cantidad de corriente de suspensión en la prueba de comentarios de los clientes, ¿por qué?

Este problema suele deberse a la configuración de la MCU. El consumo de energía promedio de una MCU de una sola MCU puede alcanzar el nivel de mA. En otras palabras, si accidentalmente pierde o no coincide con el estado de un puerto IO, es probable que destruya el diseño anterior de bajo consumo. Tomemos un pequeño experimento como ejemplo para ver cuánto afecta el problema.

Paso 6:

En el proceso de prueba de la Figura 4 y la Figura 5, el objeto de prueba es el mismo producto y la misma configuración es el modo de suspensión del módulo, que obviamente puede ver la diferencia de los resultados de la prueba. En la Figura 4, todas las E / S están configuradas para pull-down o pull-up de entrada, y la corriente probada es de solo 4.9uA. En la Figura 5, solo dos de los IO están configurados como entradas flotantes y el resultado de la prueba es 86.1uA.

Si la corriente de funcionamiento y la duración de la Figura 3 se mantienen constantes, el intervalo de transmisión es de 1 hora, lo que genera diferentes cálculos de la corriente de reposo. Según los resultados de la Fig. 4, la corriente media por hora es de 5,57 uA y, según la Fig. 5, es de 86,77 uA, que es aproximadamente 16 veces. También utilizando una fuente de alimentación de batería CR2032 de 200 mAh, el producto de acuerdo con la configuración de la Figura 4, puede funcionar normalmente durante aproximadamente 4 años, y de acuerdo con la configuración de la Figura 5, ¡este resultado es solo de aproximadamente 3 meses! Como puede verse en los ejemplos anteriores, se deben seguir los siguientes principios de diseño para maximizar la duración del uso del módulo inalámbrico:

1. Bajo la condición de satisfacer los requisitos de aplicación de los clientes, extienda el intervalo de envío de paquetes tanto como sea posible y reduzca la corriente de trabajo durante el período de trabajo;

2. El estado de E / S de la MCU debe estar configurado correctamente. Las MCU de diferentes fabricantes pueden tener diferentes configuraciones. Consulte los datos oficiales para obtener más detalles.

LM400TU es un módulo central LoRa de bajo consumo desarrollado por ZLG Zhiyuan Electronics. El módulo está diseñado con tecnología de modulación LoRa derivada del sistema de comunicación militar. Combina una tecnología de procesamiento de ampliación de espectro única para resolver perfectamente pequeños volúmenes de datos en entornos complejos. El problema de la comunicación de ultra larga distancia. El módulo de transmisión transparente de la red LoRa incorpora el protocolo de transmisión transparente de la red autoorganizada, admite la red autoorganizada de un solo botón del usuario y proporciona un protocolo de lectura de medidor dedicado, un protocolo CLAA y un protocolo LoRaWAN. Los usuarios pueden desarrollar aplicaciones directamente sin dedicar mucho tiempo al protocolo.