הקשר בין חיישנים אלחוטיים ביישומי IoT וחיי סוללה קצרים

חיישנים אלחוטיים מספקים תובנות מעולות ביישומים, כגון ניטור תנאים סביבתיים או ניטור מפעלים ומכונות. מכיוון שקל להתקין אותם, ניתן לפרוס אותם במגוון רחב של מצבים. בשנים הבאות נראה זינוק חד בשימושים חדשים בחיישנים אלחוטיים כאשר ה-IoT יתפרס בהרחבה. אחד מהגורמים שהכי מגבילים את השימוש בחיישנים אלחוטיים הוא יכולתם המוגבלת לבצע את העבודה במשך פרק זמן סביר. כאשר הפעולה של חיישן אלחוטי תלויה בסוללה אך הסוללה ריקה, זו סתם עוד פיסת זבל.

תכנון חיישנים אלחוטיים המופעלים באמצעות סוללה, דורש התמודדות עם אתגרים רבים שמטרתם להבטיח שהמכשיר יפעל במשך פרק זמן סביר. בדרך כלל, הגישה היא להשתמש באנרגיה רק לפעילות הנדרשת, ולאחר מכן להעביר את המכשיר למצב של צריכת חשמל נמוכה. ניתן לחלק הפעלה של חיישן אלחוטי למספר פעילויות, כאשר כל אחת מהן דורשת רמה מסוימת של חשמל למשך פרק זמן מסוים. הפעילויות הנפוצות ביותר:
התעוררות, ביצוע מדידה ועיבוד הנתונים להודעה.
הפעלת מגבר ה-RF, שידור ההודעה וכיבוי מגבר ה-RF.
בחיישנים דו-כיווניים (שידור וקליטה): התעוררות, הפעלת המקלט, קבלה, עיבוד נתונים, פעולה בהתאם להודעה וכיבוי שוב.
קל לראות שריבוי הפעולות משפיע מאוד על התרוקנות הסוללה.
הדרך הפשוטה ביותר להארכת חיי הסוללה היא להשתמש בסוללה גדולה יותר, סוללה עם קיבולת גבוהה יותר. עם זאת, סביר להניח שהלקוחות שלך מצפים שהחיישנים שלהם יהיו קטנים ויציעו ביצועים גבוהים (כדי לשלוח כמות גדולה של נתונים דחוסים). ברור שהציפיות של הלקוחות עומדות בסתירה מוחלטת עם הדרך הקלה לפתירת בעיית אורך חיי הסוללה.

כיצד מהנדסים מעריכים את אורך חיי הסוללה?
כמהנדס תכנון, עליך להתחיל להתפשר ולמצוא את האיזון בין גודל הסוללה והפונקציונליות של החיישן האלחוטי כדי לקבל את הביצועים הטובים ביותר מסוללה קטנה עם משך זמן ארוך מספיק בין החלפות סוללה.
תהליך האופטימיזציה מתחיל בהבנת דרישות צריכת החשמל. איסוף נתונים על שימוש בחשמל הוא הצעד הראשון באפיון ביצועי המכשיר.
לסוללה יש כמות מוגדרת של אנרגיה, המצוינת בוואט שעות (Wh) וקיבולת, המצוינת באמפר שעות (Ah). אם אתה יודע כמה חשמל נדרש כדי להפעיל את המכשיר שלך, תוכל לחשב את אורך חיי הסוללה.
אורך חיי סוללה (שעות) שווה לקיבולת סוללה (Wh) לחלק לפריקת חשמל ממוצעת (W)
האנרגיה בסוללה היא תוצר גם של דירוג הוולטאז’ (V) והקיבולת שלה (Ah). דירוג הוולטאז’ הוא ערך אמצע בעקומת פריקת הסוללה שנקבע באופן אמפירי כדי לקבוע כהלכה את היחס בין האנרגיה בסוללה והקיבולת שלה. על סמך כל זה, ניתן לקבוע את אורך חיי הסוללה גם באמצעות הנוסחה:
אורך חיי סוללה (שעות) שווה לקיבולת סוללה (Ah) לחלק לפריקת זרם ממוצעת (A)
עם זאת, כאשר המכשיר במצב פעולה אמיתי, חיי הסוללה בדרך כלל קצרים יותר מהמספר שחישבת. ההערה הנפוצה ביותר היא: “איכות הסוללה גרועה”. נציגים של מותגי סוללות גדולים יציעו נתונים מפורטים ויסבירו שבין סוללות מאותו סוג מוצאים בדרך כלל סטיות של 5 עד 10 אחוז בקיבולת. אך גם כשמשתמשים בהערכות שמרניות של קיבולת סוללה, אורך חיי הסוללה בדרך כלל קצר יותר. חיי המכשיר מגיעים לסופם לפני המועד הצפוי. למה זה קורה? האם הערכנו בצורה נכונה את השימוש באנרגיה? סביר להניח שלא. בוא ונחקור את הבעיה.

המורכבות של מדידת פריקת זרם דינמית
במכשירים המופעלים על ידי סוללה כמו חיישנים אלחוטיים, כדי לחסוך בחשמל, מעגלי המשנה של המכשיר פעילים רק כאשר יש צורך בכך. מהנדסים מתכננים את המכשיר כך שרוב זמנו הוא במצב שינה עם פריקת זרם מינימלית. במהלך מצב שינה רק שעון זמן אמת פועל. לאחר מכן המכשיר מתעורר באופן תקופתי כדי לבצע מדידות. הנתונים שנמדדו משודרים לאחר מכן למקלט.

טכניקות מסורתיות של מדידה והמגבלות שלהן
שיטה ידועה למדידת זרם היא שימוש בפונקציית מד זרם של ה- DMM. הדיוק של מדידות זרם במכשירי DMM דיגיטליים מודרניים נראה טוב, אך המצב מוגדר לטווחים קבועים ורמת אותות יחסית סטטית וזהו אינו המצב בחיישן אלחוטי עקב פריקת הזרם הדינמית שלו.
ה-DMM מחובר באופן טורי בין הסוללה והמכשיר כדי למדוד את הזרם. מעת לעת נראה מצב שידור או חוסר יציבות בקריאות עקב המחזור הפעיל של החיישן. אנחנו יודעים שלמכשירי DMM יש טווחים מרובים, ובמצב של טווח אוטומטי הם אמורים לבחור את הטווח המתאים ביותר ולתת את הדיוק הטוב ביותר. עם זאת, מכשירי DMM אינם אידיאליים. לטווח האוטומטי נדרש זמן כדי לשנות את הטווח ולייצב את תוצאות המדידה. הזמן בטווח אוטומטי הוא לרוב 10 עד 100 אלפיות השנייה, שהוא ארוך יותר מזמן השידור או זמן מצב פעיל. מסיבה זו, יש להשבית את פונקציית הטווח האוטומטי והמשתמש צריך לבחור באופן ידני את הטווח המתאים ביותר.
ה-DMM מבצע מדידות על ידי הכנסת נגד (shunt) למעגל ומדידת מפל המתח במעגל עליו. בדרך כלל, כדי למדוד זרם נמוך, בוחרים טווח נמוך המבוסס על נגד עם התנגדות גבוהה. כדי למדוד זרם גבוה יש לבחור טווח גבוה המבוסס על נגד עם התנגדות נמוכה. צניחת המתח נקראת גם מתח העמסה (burden voltage). בעקבות צניחת מתח זו, לא מגיע כל מתח הסוללה לחיישן האלחוטי. ברוב הטווחים הנמוכים והמדויקים למדידות זרם במצב שינה יש מתח עומס במהלך שיאי זרם (peaks) שעלולים אף לגרום לאיפוס המכשיר. באופן מעשי, אנחנו מתפשרים בסופו של דבר ומשתמשים בטווח זרם שבזכותו המכשיר פועל במהלך זרמי שיא. פשרה זו מאפשרת לנו לטפל בזרם שיא ולמדוד זרם במצב שינה, אך במחיר גבוה. כאשר שגיאת הקיזוז מצוינת בסקאלת הטווח המלאה, היא משפיעה מאוד על מדידות ברמות זרם נמוך. תרומת השגיאה שלה יכולה להיות שגיאה של 0.005% בטווח של 100 = 5 כלומר שגיאה של 50% ב- 10 או שגיאה של 500% ברמת זרם 1-µA. רמת זרם זאת היא המקום שבו המכשיר נמצא רוב הזמן, כך שלשגיאה זו יש השפעה עצומה על הערכת אורך חיי הסוללה.
לאחר מדידת רמת הזרם הנמוך של החיישן במצב שינה, עלינו למדוד את הפולסים הפעילים ופולסים של שידור. המדידות צריכות לכלול גם את רמת הזרם וגם את הזמן שהחיישן נמצא ברמה זו. לאוסילוסקופים יש כלים מעולים למדידת אותות המשתנים לאורך זמן. עם זאת, עלינו למדוד את הזרם ברמת עשרות מילי-אמפר (mA), וגלאי הזרם לא עושים את עבודתם עקב רגישות מוגבלת והסטייה שלהם. לגלאי מלחציים (clamp) טובים יש רעש 2.5-mArms, ויש לחזור על פעולת הכיול לעתים קרובות. גלאי זרם מודדים את השדה החשמלי לאורך חוט, כך שהדרך להגברת הרגישות היא ללפף את אותו חוט מספר פעמים כדי שנכפיל את השדה המגנטי. פעולה זו מכפילה את קריאת הזרם ומאפשרת לנו למדוד את הזרם בצורה טובה יותר. באמצעות גישה זו נוכל ללכוד את פולס הזרם של הפעילות ואת זמן השידור. גם בזמן השידור, הזרם משנה עוצמה: הוא נראה כמו רכבת שעוברת בין רמות גבוהות ונמוכות. כדי לחשב כראוי את הזרם הממוצע, יש לייצא את תצורת הגל ולשלב את כל הנקודות הנמדדות כדי לקבל את הערך הממוצע.
אוסילוסקופים עושים עבודה טובה בלכידת התפרצות יחידה. עם זאת, המדידות מורכבות יותר אם אנחנו רוצים לאמת את כמות הפעמים שהחיישן מופעל במסגרת זמן מסוימת ואת התדירות בה הוא שולח התפרצות שידור. אוסילוסקופים יכולים לעשות עבודה טובה בקלות עם מדידות שנלקחו בפרק זמן קצר, אך ייתכן שלחיישנים יש מחזורי תפעול של דקות או שעות, והלכידה והמדידה שלהם יכולה להיות מורכבת.

חידושים במדידה
יחידת מקור/מדיד לניתוח פריקת סוללה מתגברת על המגבלות של מדידות מסורתיות באמצעות שני חידושים: קביעת טווח זרם חלקה ורישום נתונים ללא פערים לזמנים ארוכים. ה-N678XA הוא מודול שניתן להשתמש בו עם Keysight N6700 או N6705 DC power analyzer.
קביעת טווח הזרם החלקה היא טכנולוגיה הרשומה כפטנט שמאפשרת ל-SMU של Keysight לשנות את טווח המדידה תוך שמירה על מתח יציאה יציב ללא צניחות כלשהן עקב שינוי הטווח. תכונה זו מאפשרת לך למדוד את השיאים בטווחי זרם גבוהים ולמדוד את הזרם במצב שינה באמצעות הטווח 1-mA FS, שיש לו 100 של שגיאת קיזוז. בשגיאת קיזוז נמוכה (שגיאת קיזוז של 100-nA היא 10% ב-1 או 1% ב-10), סדרי הגודל טובים יותר לעומת DMM מסורתי.
קביעת טווח הזרם החלק משולב עם שני דיגיטייזרים כדי למדוד מתח וזרם עם דגימה סימולטנית משלב את מדידות 200 על פני (רזולוציית זמן של 5-µs). מדידות קצרות (עד 2 שניות) יכולות להיות מוצגות עם רזולוצייה מלאה. עם זאת, במדידות לטווח ארוך, אוגר הנתונים (data logger) הפנימי ב-N6705B משלב את מדידות kSa/s על פני תקופת אינטגרציה שהמשתמש מציין
( 20 עד 60 שניות) מבלי לאבד דגימות כלשהן בין תקופות האינטגרציה. כאשר רושם הנתונים הוא ללא פערים, כל הדגימות מתבצעות בתקופת אינטגרציה אחת או בתקופה הבאה – אף דגימה לא אובדת. באמצעות רושם הנתונים מהנדסים יכולים למדוד כעת את ביצועי פריקת הזרם והחשמל של חיישן אלחוטי למשך עד 1000 שעות הפעלה.
מדידת הזרם במצב שינה היא רק עניין של מיקום הסמנים וקריאה ישירה של הערכים המתקבלים. המדידה באיור 4 מתבצעת באמצעות רכישה יחידה לאורך פרק זמן ארוך. אנחנו מקבלים את התמונה המלאה של צריכת הזרם וכן מדידה מדויקת של הזרם במצב שינה ב- 599.
עם יכולת סימון והגדלה, ניתן לבדוק את רמת הזרם ואת משך הזמן בכל מצב. פרטים שכלי מדידה מסורתיים לא יכולים לראות מזוהים כעת ונמדדים. דוגמה ברורה היא trailing pulses המסומנים באמצעות “???” באיור 4. התוכנה חשפה את הבעיה: המכשיר צרך אנרגיה בשיאי~ 90 במשך 500 אלפיות השניה בזרם ממוצע של 3.3. כאשר אנחנו מוסיפים פריקת זרם זו לזרם במצב שינה של 599, הצריכה נעה אל 730, כלומר זרם הגבוה ב-22% ממה שציפינו. הפתעה מסוג זה יכולה להיות אחת הסיבות להערכה לקויה של דרישות חשמל ואספקת חיי סוללה קצרים מהצפוי.
באופטימיזציית חשמל של חיישן אלחוטי, מהנדסים מקבלים ערך רב על ידי הבנת הפרטים. הידיעה כמה חשמל נחוץ כדי לשלוח חבילת מידע היא חשובה ביותר כשמאזנים את חוויית המשתמש מול פריקת הסוללה ועונים על שאלות כמו “האם עליי לשלוח מידע פעם בשנייה, כל 5 שניות או כל 10 שניות?” מהנדסים יכולים להעריך במדויק את השפעת השינוי ב-firmware על צריכת הזרם ולאמת אותו בפרק זמן סביר עם מדידות אמיתיות.

מדידת ג’אולים בקלות
ג’אולים שימושיים בהערכת חיי הסוללה, כיוון שלכל פעילות יש כמות חשמל מוגדרת. נוכל גם להשוות את ביצועי המכשיר באמצעות ג’אולים/ביטים משודרים. אך מהנדסים משתמשים בג’אולים לעתים נדירות כיוון שצריך לחשב אותם מהמתח, מהזרם ומהזמן.
באמצעות תוכנת הבקרה והניתוח 14585A של Keysight, ניתן למדוד אנרגיה ישירות בג’אולים. לדוגמה, ייתכן שתמדוד את החשמל הנצרך בשידור חבילה (ראה איור 5) הנלכד באמצעות trigger. זהו אחד מהיתרונות של שני דיגיטייזרים למתח ולזרם עם דגימה סימולטנית המאפשרים מדידות אנרגיה, נקודה אחר נקודה. ניתן לקרוא ג’אולים בקלות כערך בין הסמנים, ומתכנתים יכולים להתקדם צעד נוסף על ידי הגדרת ג’אולים/ביטים משודרים.

סיכום
מהנדסים שמתכננים מכשירי IoT המופעלים בסוללה משתמשים בטכניקות ניהול חשמל מתקדמות כדי לשמר את חיי הסוללה. טכניקות מדידה מסורתיות הן מורכבות, נמשכות זמן רב ולא מספקות את הדיוק במדידה הנדרש כדי למקסם ולאמת את פריקת הסוללה. מצב זה גורם לעתים קרובות למהנדסים להעריך בצורה לקויה את החשמל הנדרש להפעלת המכשיר. מכשיר ה-SMU של Keysight לניתוח פריקת סוללה מאפשר ניתוח מדויק של פריקת זרם עם תמונה אחת שמספקת ניתוח מלא ומפורט של פריקת זרם וחשמל. תוכנה לשימוש לאחר הניתוח מפשטת את עבודת המהנדס ומציעה נראות של פרטים שלא נראו בעבר.
לאחרונה Keysight הכריזה על דגם חדש של מכשיר SMU מסדרת N6785A לפריקת סוללה, יכולות אלה זמינות כעת עד ל-80 ומ-nA עד 8A. מכשירי SMU אלה משמשים ביישומים רבים מבדיקת טלפונים חכמים וטאבלטים ועד ל-ECU אוטומטי, חיישנים אלחוטיים וערכות שבבים של IoT.