מאמר זה מתאר כיצד להפוך התקנים מסוג “האינטרנט של הדברים” (IoT) להתקנים בעלי נצילות גבוהה יותר. נעבור בקצרה על נושא ניהול הסוללות בטרם נתמקד בתפקיד החשוב שיש למצב שינוע ולמצב שינה בהספק ננו. בסיום, נתאר פתרון חדש שמשפר עוד את שני ההיבטים האלו של ניהול סוללה, אשר מקטין את רמות צריכת ההספק ואת שטח המעגל ביחס לשיטות מסורתיות.

מבוא

בעולם המחובר של האינטרנט, ל- IoT יש תפקיד חשוב כשהוא מחבר צומתי חישה שונים ומשדר את הנתונים לשרת מאובטח. ניהול הספקים הוא אחד התחומים שבהם יש להתמקד כדי להגדיל את הנצילות של יישום IoT.

ברוב היישומים, צומת החיישנים (התקן הרכשת הנתונים) נמצא באזור מרוחק ומקבל אספקת מתח מסוללה. חיי הסוללה תלויים במידת הנצילות שבה תכננו את אסטרטגיות ההספק של צומת החיישנים. רוב הזמן, צומת החיישנים נותר במצב שינה ועובר למצב פעיל רק תידרש לו הרכשת נתונים. מחזור העבודה של התקנים אלו הוא קטן. כדי להאריך את חיי הסוללה, עלינו לשפר את הזרם במצב שינה של יישומי IoT.

עיקרי הדברים בניהול הספקים בהתקן IoT

במערכת IoT אופיינית, כמו זו המוצגת באיור 1, צומת החיישנים האלחוטי מופעל בעיקר בסוללה, ומוגבלת לכן באופן אינהרנטי מחיי הסוללה. ניהול הספקים הוא מכריע להארכת חיי צומת החיישנים. המושג מחזור עבודה מתקשר לרוב לחיסכון בהספק בצומת חיישנים. מאחר שהתחברות יתר וחישת סרק הם מקורות עיקריים של בזבוז אנרגיה בצומת חיישנים, אנו יכולים להעריך צריכת הספק של צומת חיישנים אלחוטי בעזרת שלושה תחומים שונים:

◄         חיישן

◄         מיקרו–בקר

◄         הפעלת רדיו

החיישן אוסף נתונים גולמיים כמו טמפרטורה ולחות ושולח את הנתונים האלה למיקרו–בקר. המיקרו–בקר מעבד את הנתונים הגולמיים ומשדר את הנתונים האלו לענן או למרכז נתונים, בעזרת קישור רדיו. ואולם בהינתן שיישומים אופייניים של חיישנים פועלים במחזורי עבודה קטנים ביותר (בטווח שבין 0.01% לבין 1%) ושהם במצב סרק רוב הזמן, אימוץ של תוכנית ניהול הספקים שבה הזרם של צומת החיישנים נמוך ביותר, יכול לחסוך בחיי הסוללה. מערכת השקיה חכמה שבה נמדדת הלחות בקרקע בצומת חיישנים והנתונים נאספים רק פעם בשעה, היא דוגמה ליישום מסוג זה.

איור 1: אבני הבניין האופייניות של מערכת IoT. קרדיט: ANALOG DEVICES

התפקידים הקריטיים של מצב שינוע ושל מצב שינה

מצב שינוע ומצב שינה הם ביטויים נפוצים שמשמשים בתחום של התקני IoT שמופעלים בסוללות, והם היבטים חשובים של ניהול הספקים ביישומי IoT. מצב השינוע הוא מצב של ננו–הספק שמאריך את חיי הסוללה במהלך שלב השינוע של המוצר. במצב שינוע, הסוללה מנותקת מבחינת חשמל משאר המערכת כדי להקטין את צריכת ההספק עד למינימום בשעה שהמוצר נמצא במצב סרק או כאשר אינו בשימוש. כדי לשחרר את מצב השינוע ולהתחיל פעולה רגילה של ההתקן, אנו משתמשים בלחצנים.

כאשר ההתקן נמצא במצב פעיל, מצב שינה משמש כדי להאריך את חיי הסוללה. במצב שינה, כל ההתקנים ההיקפיים של המערכת עוברים למצב כבוי או שהם פועלים בדרישות ההספק המזעריות שלהם. התקני IoT עוברים למצב עירות מדי פעם, מבצעים משימה מסוימת וחוזרים למצב שינה.

אפשר לקבל מצבי שינה שונים על ידי השבתה של התקנים היקפיים שונים של צומת החיישנים האלחוטי. לדוגמה, במצב שינה של מודם, מושבתים רק הבלוקים של התקשורת. במצב שינה “קלה”, מושבתים רוב הבלוקים, לרבות בלוק התקשורת, בלוק החיישנים והבלוקים הדיגיטליים, ובמצב שינה “עמוקה”, צומת החיישנים האלחוטי יעבור למצב כבוי לחלוטין.

אפשור של מצב שינה עמוקה בצומת חיישנים יכול להאריך את חיי הסוללה עד למקסימום. לכן, העברה של זרם השינה העמוקה למצב אופטימלי היא הדרך היחידה לשפר את חיי הסוללה.

שיטת מחזורי העבודה מאפשרת מצב שינה עמוקה ביישומי IoT

מחזור עבודה במודולי IoT הוא אחת הטכניקות הפופולריות לאפשור מצב שינה עמוקה. כאשר צומת חיישנים אלחוטי נמצא במצב שינה עמוקה, רוב ההתקנים ההיקפיים לא פועלים או במצב כבוי וצורכים זרם של ננו אמפר בלבד. התקן קוצב זמן, כגון שעון זמן אמת (RTC), יעיר את מודול IoT בתום פרק זמן מתוכנת. בטכניקה זו, המיקרו–בקר כבוי לחלוטין בזמן שהמערכת במצב שינה עמוקה. ואולם, כאשר היא תחזור לפעולה, תמיד יהיה זמן הפעלת אתחול (boot) שיוסיף השהייה בלתי רצויה. בהינתן פשרה זו, ההשפעה של העיקרון המוצע תלויה במאפיינים של כל צומת ובמחזור העבודה של היישום.

הפתרון המקובל במצב שינה עמוקה ומצב שינוע:
שימוש בשעון זמן אמת (RTC), מתג ראשי ובקר לחצנים

בפתרון המקובל, משתמשים במתג ראשי ושעון RTC כדי לחבר ולנתק מתח של צומת החיישנים האלחוטי. בגישה זו, רק המתג הראשי ושעון RTC יהיו פעילים ובכך יקטינו את זרם השקט הכולל עד לננו אמפרים. את זמן השינה אפשר לתכנת בעזרת מיקרו בקר, בתוך צומת החיישנים האלחוטי.

אפשר לחבר בקר לחצנים חיצוני אל המתג הראשי כדי להפעיל את התכונה מצב שינוע. הלחצן החיצוני ייצא ממצב שינוע ויעביר את צומת החיישנים האלחוטי לפעולה רגילה.

איור 2. תרשים בלוקים של פתרון בדיד. קרדיט: ANALOG DEVICES

פתרון משופר למצב שינה עמוקה ולמצב שינוע

MAX16163/MAX16164 הם בקרי הספק ננו של Analog Devices עם בקרים לחיבור וניתוק מתח ועם זמן שינה מתוכנת. ההתקנים משלבים מתג ראשי, שעון RTC ומעגל משולב לטריות סוללה, כדי לחסוך בכמויות של כתב החומרים (BOM) ולהקטין עלויות. יחידת צומת החיישנים האלחוטי מחוברת לסוללה דרך MAX16162/MAX16163. את זמן השינה אפשר לתכנת באמצעות המיקרו בקר או אפשר לקבוע אותו עם נגד חיצוני דרך חיבור PB/SLP אל האדמה או דרך פקודת I²C מהמיקרו בקר. הלחצן החיצוני משמש כדי להוציא את ההתקן ממצב שינה.

איור 3. פתרון משולב באמצעות MAX16163. קרדיט: ANALOG DEVICES

השוואה בין ביצועי הפתרונות

השוואה של הביצועים בין שני הפתרונות תלויה בזמן המחזור של יישום IoT. ביישום שבו מתקיים מחזור עבודה קטן, זרם זמן שינה הוא מדד לנצילות המערכת, כאשר התקן IoT פועל והזרם בזמן כבוי הוא מדד של צריכת הספק במצב שינוע. כדי להדגים את הפתרון, בחרנו את MAX31342, בקר RTC עם זרם שקט הנמוך בתעשייה, את MAX16150, אטם טריות סוללה (battery freshness seal) ואת TPS22916, מתג עומס זעיר. בקר RTC מתוכנת דרך תקשורת I²C שבה נקבע זמן שינה של יישום IoT ובחלוף הזמן של קוצב הזמן, אות הפסיקה מוריד את המתח בפין PBIN של MAX16150, אשר מעביר את חיבור OUT למצב גבוה ומפעיל את המתג הראשי. במהלך זמן השינה, רק הרכיבים TPS22916, MAX31342 ו- MAX16150 יצרכו זרם.

טבלה 1. צריכת זרם של בלוקים שונים בפתרון המקובל
קרדיט: ANALOG DEVICES

איור 4. תרשים סכמתי של פתרון ברכיבים בדידים. קרדיט: ANALOG DEVICES

את אורך החיים של הסוללה אפשר לחשב בעזרת זרם העומס הממוצע וקיבולת הסוללה.

את זרם העומס אפשר לחשב בעזרת מחזור העבודה של המערכת.

זרם פעיל הוא זרם המערכת כאשר צומת החיישנים האלחוטי פעיל. לצורך השוואת שני הפתרונות, נניח שהמערכת “מתעוררת” אחת לשעתיים, מבצעת משימה מסוימת וחוזרת למצב שינה. הזרם של המערכת במצב פעיל הוא 5 מילי אמפר. חיי סוללה תלויים במחזור העבודה של הפעולה. איור 5 מציג תרשים של חיי הסוללה בשני תרחישים עם מחזורי עבודה שונים, שמשתנים בין 0.005% לבין 0.015%.

איור 5. תרשים שמציג את אורך חיי סוללה לעומת מחזור פעולה בצומת חיישנים אלחוטי. קרדיט: ANALOG DEVICES

טבלה :2 השוואה של שני פתרונות שונים
קרדיט: ANALOG DEVICES

לסיכום, מאמר זה נותן מענה לתפקיד החיוני של ניהול אספקת סוללה בעולם של התקני IoT, המתרחב במהירות. הודגם ששיפור מצב שינוע ומצב שינה הוא אחת הדרכים הטובות ביותר לשיפור נצילות הסוללה. הפתרון MAX16163 מבית ADI מאפשר תכנון עם בקרה מדויקת יותר של הפונקציות האלו. הוא מאריך את חיי הסוללה בכ- 20% (בפעולה אופיינית של מחזור פעולה של 0.007% כפי שנראה באיור 5) ומקטין את גודל הפתרון ל- 60% בהשוואה לפתרונות בגישה המקובלת.