Come migliorare l’efficienza dell’alimentazione a batteria per dispositivi IoT

Suryash Rai, Product Applications Engineer (Analog Devices)

Questo articolo esplora la possibilità di rendere i dispositivi Internet of Things (IoT) più efficienti dal punto di vista energetico. Presenta un rapido riepilogo sulla gestione della batteria, prima di focalizzarsi sul ruolo critico dello ship mode e dello sleep mode nanopower. Infine, presenta una soluzione innovativa che ottimizza questi due aspetti della gestione delle batterie, riducendo i livelli di consumo energetico e l’ingombro su scheda rispetto ai metodi tradizionali

Nel mondo connesso di Internet l’IoT svolge un ruolo cruciale, collegando diversi nodi di rilevamento e trasmettendo i dati a un server sicuro. La gestione dell’alimentazione è una delle aree di maggior rilievo per aumentare l’efficienza dell’applicazione IoT.

Nella maggior parte delle applicazioni, il nodo sensore (elemento di acquisizione dati) è collocato in un’area remota e alimentato da una batteria. La durata di quest’ultima dipende dall’efficienza con cui vengono progettate le strategie di alimentazione del nodo sensore. Nella maggior parte dei casi, questo nodo rimane in modalità sleep e passa alla modalità attiva solo quando richiede l’acquisizione di dati. Il duty cycle di questi dispositivi è basso. Per massimizzare la durata della batteria, è necessario ridurre la corrente di sleep delle applicazioni IoT.

Gestione dell’alimentazione in un dispositivo IoT: principi di base

In un tipico sistema IoT, come mostrato nella Figura 1, il nodo sensore wireless funziona per lo più a batteria e, per questo, è intrinsecamente legato alla durata della batteria stessa. Per massimizzare la durata del nodo sensore, la gestione dell’alimentazione è fondamentale. Per risparmiare energia in un nodo sensore, il sistema del duty cycle è una pratica comune. Poiché in questo dispositivo “overhearing” e ascolto inattivo sono le principali fonti di spreco di energia, possiamo valutare il consumo energetico di un nodo sensore wireless utilizzando tre diverse aree:

• Sensore
• Microcontrollore
• Uso della radio

Il sensore raccoglie i dati grezzi, come temperatura e umidità, inviandoli al microcontrollore. Questo elabora i dati grezzi e li trasmette al cloud o al data center tramite un collegamento via radio. Tuttavia, dato che le applicazioni tipiche dei sensori funzionano con duty cycle molto bassi (dallo 0,01% all’1%) e sono inattive per la maggior parte del tempo, l’adozione di uno schema di gestione dell’alimentazione, in cui la corrente di sleep del nodo sensore è bassissima, consentirà di preservare la durata della batteria. Un sistema di irrigazione smart, in cui il nodo sensore misura l’umidità del suolo e raccoglie dati solo una volta all’ora, è un esempio di tale applicazione.

Figura 1. I tipici elementi costitutivi di un sistema IoT.

Quali sono I ruoli critici di ship mode e sleep mode ?

Lo ship mode e lo sleep mode sono le definizioni in gergo comunemente usate nei dispositivi IoT alimentati a batteria, sono aspetti cruciali della gestione dell’alimentazione nelle applicazioni Internet of Things. Lo ship mode è uno stato nanopower che prolunga la durata della batteria durante la fase di spedizione di un prodotto. In ship mode, la batteria è elettricamente scollegata dal resto del sistema per ridurre al minimo il consumo di energia quando il prodotto è inattivo o non viene utilizzato. Per rilasciare lo ship mode e avviare il normale funzionamento del dispositivo, si utilizzano dei pulsanti.

Una volta attivato il dispositivo, per prolungare la durata della batteria si utilizza lo sleep mode. In questa modalità, tutte le periferiche del sistema sono spente o funzionano al minimo dei loro requisiti energetici. I dispositivi IoT si riattivano periodicamente, eseguono un’attività specifica e poi tornano in sleep mode.

È possibile ottenere diversi sleep mode, disabilitando varie periferiche del nodo sensore wireless. Ad esempio, nella modalità sleep del modem, vengono disabilitati solo i blocchi di comunicazione. In modalità light sleep, la maggior parte dei blocchi, tra cui il blocco di comunicazione, il blocco sensore e i blocchi digitali, sono disabilitati e, in modalità deep sleep, il nodo sensore wireless è completamente spento.

L’attivazione dello sleep mode nel nodo sensore può massimizzare la durata della batteria; pertanto, l’ottimizzazione della corrente di deep sleep è l’unico modo per migliorarne l’autonomia complessiva.

Il metodo del duty cycle per abilitare la modalità deep sleep nelle applicazioni IoT

Il duty cycle nel modulo IoT è una delle tecniche più diffuse per abilitare la modalità deep sleep. Mentre un nodo sensore wireless si trova in modalità deep sleep, la maggior parte delle periferiche sono spente, o in modalità di shutdown, assorbendo solo una corrente di pochi nanoampere. Un dispositivo di timing come il real-time clock (RTC) risveglia il modulo IoT dopo un timeout programmato. Con questa tecnica, mentre il sistema è in sleep mode, il microcontrollore è completamente spento. Tuttavia, dopo il ripristino, è sempre necessario un tempo di boot di avvio, che aggiunge un ritardo non desiderato. Alla luce di questo compromesso, l’impatto del principio proposto dipende dalle caratteristiche di ciascun nodo e dal duty cycle dell’applicazione.

La soluzione convenzionale per il deep sleep mode e lo ship mode: utilizzo di un RTC, di un interruttore di carico e di un controllore a pulsante

Nella soluzione convenzionale, per l’accensione e lo spegnimento del nodo sensore wireless si utilizzano un interruttore di carico e un RTC. In questo approccio, vengono attivati solo l’interruttore di carico e l’RTC, riducendo la corrente di riposo totale a livello di nanoampere. Il tempo di sleep può essere programmato con il microcontrollore all’interno del nodo sensore wireless.

Per attivare la funzione ship mode, è possibile collegare un pulsante esterno a un interruttore di carico. Il pulsante esterno farà uscire il nodo sensore wireless dalla modalità ship mode e lo farà entrare nel funzionamento normale.

Figura 2. Schema a blocchi di una soluzione discreta.

Una soluzione migliorata per il deep sleep e lo ship mode

MAX16163/MAX16164 sono controllori nanopower di Analog Devices con regolatori on/off e sleep time programmabile. I dispositivi integrano un interruttore di alimentazione per controllare un’uscita, che può gestire una corrente di carico fino a 200 mA. I MAX16162/MAX16163 possono sostituire gli interruttori di carico convenzionali, l’RTC e gli IC di “battery freshness”, per ridurre i componenti della BOM e i costi. Il nodo sensore wireless viene collegato alla batteria tramite MAX16162/MAX16163. Il tempo di sleep può essere programmato dal microcontrollore o può essere impostato utilizzando un resistore esterno da PB/SLP a terra o utilizzando controllo I²C dal microcontrollore. Per uscire dallo ship mode del dispositivo si utilizza un pulsante esterno.

Figura3. Una soluzione integrate che utilizza MAX16163.

Confronto delle prestazioni della soluzione

Il confronto delle prestazioni di entrambi gli schemi dipende dal duty cycle dell’applicazione IoT. In un’applicazione con un duty cycle ridotto, la corrente di sleep è una misura dell’efficienza del sistema quando il dispositivo IoT è in funzione, mentre la corrente di shutdown è una misura del consumo energetico dello ship mode. Per dimostrare la modalità della soluzione, abbiamo scelto il MAX31342, l’RTC con la corrente a riposo più bassa del settore, il MAX16150 e il piccolo interruttore di carico TPS22916. L’RTC viene programmato tramite comunicazione I²C che imposta il tempo di sleep dell’applicazione IoT e, quando il timer scade, il segnale di interrupt porta a livello basso il pin PBIN del MAX16150, che pone OUT a livello alto e attiva l’interruttore di carico. Durante il tempo di sleep, solo TPS22916, MAX31342 e MAX16150 consumano l’energia del sistema.

Tabella 1. Assorbimento di Corrente dei Diversi Blocchi della Soluzione Convenzionale

Figura 4. Schema di una soluzione discreta.

Nell’esperimento, valutiamo la durata di due soluzioni allo stato dell’arte con duty cycle fissi, confrontando le prestazioni della soluzione convenzionale e di quella migliorata con il MAX16163.

La durata della batteria può essere calcolata utilizzando la corrente di carico media e la capacità della batteria.

La corrente di carico media può essere calcolata utilizzando il duty cycle del sistema

La corrente attiva equivale alla corrente del sistema quando il nodo sensore wireless è attivato. Per confrontare le due soluzioni, supponiamo che il sistema si riattivi una volta ogni due ore, esegua un’attività specifica e poi entri in sleep mode. La corrente attiva del sistema è di 5 mA. La durata della batteria dipende dal duty cycle del funzionamento. La Figura 5 mostra il grafico della durata della batteria di due schemi con duty cycle diversi, che variano dallo 0,005% allo 0,015%.

Figura 5. Grafico della durata della batteria in funzione del duty cycle di un nodo sensore wireless.

Tabella 2. Due Diverse Soluzioni a Confronto

In sintesi, questo articolo ha affrontato il ruolo critico della gestione dell’alimentazione della batteria nel panorama di sviluppo dirompente dei dispositivi IoT. Ha dimostrato che l’ottimizzazione dello ship mode e dello sleep mode è uno dei modi migliori per aumentare l’efficienza della batteria. La soluzione MAX16163 di ADI consente di progettare con un controllo più preciso su queste funzioni. Prolunga la durata della batteria di circa il 20% (per un funzionamento tipico con duty cycle dello 0,007%, come si vede nella Figura 5) e riduce le dimensioni della soluzione del 60% rispetto a quelle di un approccio convenzionale.