Làm thế nào để đo chính xác mức tiêu thụ điện năng của các mô-đun truyền thông không dây trong kỷ nguyên tiêu thụ điện năng thấp ?: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tiêu thụ điện năng thấp là một khái niệm cực kỳ quan trọng trong Internet of Things. Hầu hết các nút IoT cần được cung cấp năng lượng bằng pin. Chỉ bằng cách đo chính xác mức tiêu thụ điện năng của mô-đun không dây, chúng tôi mới có thể ước tính chính xác lượng pin cần thiết cho tuổi thọ pin 5 năm. Bài viết này sẽ giải thích các phương pháp đo chi tiết cho bạn.

Trong nhiều ứng dụng của Internet of Things, các thiết bị đầu cuối thường được cung cấp năng lượng bằng pin và nguồn điện khả dụng hạn chế. Do ắc quy tự phóng điện nên điện năng sử dụng thực tế trong trường hợp xấu nhất chỉ đạt khoảng 70% so với công suất danh định. Ví dụ, pin nút CR2032 thường được sử dụng, dung lượng danh định của một pin là 200mAh, và thực tế chỉ có thể sử dụng 140mAh.

Vì năng lượng của pin rất hạn chế, điều quan trọng là phải giảm mức tiêu thụ điện năng của sản phẩm! Chúng ta hãy xem xét các phương pháp thường được sử dụng để đo điện năng tiêu thụ. Chỉ khi các phương pháp đo công suất tiêu thụ này rõ ràng thì mới có thể tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng của sản phẩm.

Bước 1: Đầu tiên, Đo lường mức tiêu thụ điện năng

Thử nghiệm tiêu thụ điện năng của mô-đun không dây chủ yếu là để đo dòng điện, và ở đây được chia thành hai thử nghiệm khác nhau về dòng điện tĩnh và dòng điện động. Khi mô-đun ở trạng thái ngủ hoặc ở trạng thái chờ, do dòng điện không thay đổi, giữ một giá trị tĩnh, chúng ta gọi nó là dòng điện tĩnh. Lúc này, chúng ta có thể sử dụng đồng hồ vạn năng truyền thống để đo, chỉ cần mắc nối tiếp đồng hồ vạn năng với chân nguồn điện là được giá trị đo cần thiết, như hình 1.

Bước 2:

Khi đo dòng phát xạ của chế độ hoạt động bình thường của mô-đun, tổng dòng ở trạng thái thay đổi do thời gian ngắn cần thiết để truyền tín hiệu. Chúng tôi gọi nó là dòng điện động. Thời gian phản hồi của đồng hồ vạn năng chậm, khó nắm bắt được dòng điện thay đổi nên không thể sử dụng đồng hồ vạn năng để đo. Để thay đổi dòng điện, bạn cần sử dụng máy hiện sóng và đầu dò dòng điện để đo. Kết quả đo được thể hiện trong Hình 2.

Bước 3: Thứ hai, tính toán tuổi thọ pin

Mô-đun không dây thường có hai chế độ hoạt động, chế độ hoạt động và chế độ nghỉ, như hình 3 dưới đây.

Bước 4:

Dữ liệu trên lấy từ sản phẩm LM400TU của chúng tôi. Theo hình trên, khoảng thời gian truyền giữa hai gói truyền là 1000ms, và dòng điện trung bình được tính:

Nói cách khác, dòng điện trung bình là khoảng 2,4mA trong 1 giây. Nếu bạn sử dụng bộ nguồn CR2032, bạn có thể sử dụng lý tưởng khoảng 83 giờ, khoảng 3,5 ngày. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta kéo dài thời gian làm việc của mình lên một giờ? Tương tự, nó có thể được tính theo công thức trên rằng dòng điện trung bình mỗi giờ chỉ là 1,67uA. Cùng một phần của pin CR2032 có thể hỗ trợ thiết bị hoạt động 119, 760 giờ, khoảng 13 năm! Từ sự so sánh của hai ví dụ trên, việc tăng khoảng thời gian giữa việc gửi gói tin và kéo dài thời gian ngủ có thể làm giảm mức tiêu thụ điện năng của cả máy, nhờ đó máy có thể hoạt động lâu hơn. Đây là lý do tại sao các sản phẩm trong ngành đọc công tơ không dây thường được sử dụng lâu dài vì chúng chỉ gửi dữ liệu một lần mỗi ngày.

Bước 5: Thứ ba, Các sự cố và nguyên nhân thường gặp về nguồn điện

Để đảm bảo mức tiêu thụ điện năng thấp của sản phẩm, ngoài việc tăng thời gian khoảng cách gói, còn có việc giảm mức tiêu thụ hiện tại của chính sản phẩm, tức là Iwork và ISleep đã đề cập ở trên. Trong trường hợp bình thường, hai giá trị này phải phù hợp với bảng dữ liệu chip, nhưng nếu người dùng không sử dụng đúng cách, có thể xảy ra sự cố. Khi chúng tôi kiểm tra dòng phát xạ của mô-đun, chúng tôi nhận thấy rằng việc lắp đặt ăng-ten có ảnh hưởng lớn đến kết quả kiểm tra. Khi đo bằng ăng-ten, dòng điện của sản phẩm là 120mA, nhưng nếu vặn ăng-ten ra, dòng thử nghiệm tăng vọt lên gần 150mA. Sự bất thường về tiêu thụ điện năng trong trường hợp này chủ yếu là do đầu cuối RF của mô-đun không khớp, khiến PA bên trong hoạt động không bình thường. Do đó, chúng tôi khuyến nghị khách hàng nên thực hiện bài kiểm tra khi đánh giá mô-đun không dây.

Trong các tính toán trước đây, khi khoảng thời gian truyền ngày càng dài, chu kỳ làm việc của dòng điện ngày càng nhỏ, và yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến điện năng tiêu thụ của toàn bộ máy là ISleep. ISleep càng nhỏ thì tuổi thọ của sản phẩm càng lâu. Giá trị này nói chung là gần với bảng dữ liệu chip, nhưng chúng tôi thường gặp một lượng lớn dòng điện ngủ trong bài kiểm tra phản hồi của khách hàng, tại sao vậy?

Sự cố này thường do cấu hình của MCU gây ra. Công suất tiêu thụ MCU trung bình của một MCU duy nhất có thể đạt đến mức mA. Nói cách khác, nếu bạn vô tình bỏ lỡ hoặc không phù hợp với trạng thái của cổng IO, nó có khả năng phá hủy thiết kế tiêu thụ điện năng thấp trước đó. Hãy lấy một thí nghiệm nhỏ làm ví dụ để xem mức độ ảnh hưởng của vấn đề.

Bước 6:

Trong quá trình thử nghiệm của Hình 4 và Hình 5, đối tượng thử nghiệm là cùng một sản phẩm, và cùng một cấu hình là chế độ ngủ mô-đun, có thể thấy rõ ràng sự khác biệt của kết quả thử nghiệm. Trong Hình 4, tất cả IO được cấu hình cho đầu vào kéo xuống hoặc kéo lên, và dòng điện thử nghiệm chỉ là 4,9uA. Trong Hình 5, chỉ có hai IO được cấu hình làm đầu vào nổi và kết quả thử nghiệm là 86,1uA.

Nếu dòng hoạt động và thời lượng của Hình 3 được giữ không đổi, thì khoảng thời gian truyền là 1 giờ, điều này mang lại các tính toán dòng điện ngủ khác nhau. Theo kết quả của Hình 4, dòng điện trung bình mỗi giờ là 5,57 uA, và theo Hình 5 là 86,77 uA, tức là khoảng 16 lần. Cũng sử dụng nguồn pin 200mAh CR2032, sản phẩm theo cấu hình hình 4 có thể hoạt động bình thường trong khoảng 4 năm, còn theo cấu hình hình 5 thì kết quả này chỉ khoảng 3 tháng! Như có thể thấy từ các ví dụ trên, các nguyên tắc thiết kế sau đây cần được tuân thủ để tối đa hóa thời lượng sử dụng của mô-đun không dây:

1. Trong điều kiện đáp ứng các yêu cầu ứng dụng của khách hàng, kéo dài khoảng thời gian gửi gói tin càng nhiều càng tốt, và giảm dòng điện làm việc trong thời gian làm việc;

2. Trạng thái IO của MCU phải được cấu hình chính xác. MCU của các nhà sản xuất khác nhau có thể có các cấu hình khác nhau. Tham khảo dữ liệu chính thức để biết chi tiết.

LM400TU là một mô-đun lõi LoRa công suất thấp được phát triển bởi ZLG Zhiyuan Electronics. Mô-đun được thiết kế với công nghệ điều chế LoRa có nguồn gốc từ hệ thống thông tin liên lạc quân sự. Nó kết hợp công nghệ xử lý mở rộng phổ độc đáo để giải quyết hoàn hảo khối lượng dữ liệu nhỏ trong môi trường phức tạp. Vấn đề liên lạc khoảng cách cực xa. Mô-đun truyền dẫn trong suốt của mạng LoRa nhúng giao thức truyền trong suốt của mạng tự tổ chức, hỗ trợ mạng tự tổ chức một nút của người dùng và cung cấp giao thức đọc đồng hồ chuyên dụng, giao thức CLAA và giao thức LoRaWAN. Người dùng có thể trực tiếp phát triển ứng dụng mà không mất nhiều thời gian cho giao thức.