Salta la barra di navigazione [1] - Vai alla barra di navigazione [3] - Scrivimi una mail [4]

PIC-WL-Sen: analisi della durata della batteria

Sommario - Novità - Tutorial - Progetti - Risorse - Non solo elettronica

Tanti sensori

In fase di sviluppo Versione preliminare In fase di sviluppo

In questa pagina si riporta l'analisi dei consumi del sensore wireless PIC-WL-Sen, al fine di stimare la durata della batteria. Quanto qui riportato deve essere ritenuto come frutto di un'analisi teorica preliminare e solo in parte già validata con dati sperimentali. A breve verrà inoltre iniziata una campagna di misure che coinvolgerà qualche decina di sensori in condizioni operative da cui si pensa di raccogliere dati più significativi anche da questo punto di vista.

Il circuito di riferimento utilizza il solo sensore di temperatura LM75A ed è alimentato da una batteria al litio CR2032.

Analisi teorica

Per mantenere bassi i consumi medi di energia la tecnica universalmente adottata è quella di alternare due fasi:

La durata della batteria in ore può essere stimata come rapporto tra la media pesata della corrente (in mA) e la sua capacità espressa in mAh (nota 1).

Per esempio:

Corrente media: 0,1 * 5 + 1 * 0,05 = 0,5 mA

Durata della batteria: 400 ore (circa 17 giorni)

Il processore PIC18LF2xK22

L'assorbimento di corrente di questo processore (come di tutti i circuiti CMOS) dipende il larga parte dalla frequenza di funzionamento e dall'eventuale carico collegato alle sue uscite. Nelle figure seguenti è mostrato l'assorbimento per diverse frequenze in assenza di carico e quando viene acceso un LED. I risultati sono ovviamente coerenti con i fogli tecnici.

Consumo con clock a 64  MHz   Consumo con clock a 16 MHz   Consumo con clock a 1 MHz   Consumo con clock a 32 kHz

La scelta della frequenza operativa dipende ovviamente dall'applicazione, tenendo conto che frequenza di clock maggiore significa minor tempo per completare i calcoli e quindi minor consumo di energia; occorre inoltre notare che:

La corrente di standby della versione eXtreme Low-Power (PIC18LF26k22) è molto bassa ed al di sotto del limite misurabile con strumenti generici. Ad essa occorre aggiungere la corrente del watchdog timer necessario al risveglio periodico del processore (nota 2), raggiungendo il valore di 320 nA, trascurabile rispetto alla corrente richiesta dagli altri componenti presenti sul PIC-WL-Sen.

Al fine di mantenere basso il consumo durante lo standby è necessario disattivare tutti gli ingressi digitali ed usare altre tecniche descritte per esempio nella nota applicativa AN1416.

L'apparato radio nRF24L01+

Questo circuito ha tre stati principali per quanto riguarda il consumo energetico:

La scelta tra standby e power down durante la fase non attiva dipende dalla frequenza con cui sono effettuate le misure; l'esempio allegato a questa pagina utilizza la modalità power down in quanto pensato per rilevare la temperatura poche volte al minuto.

Un impatto importante sul consumo deriva dall'adozione o meno di tecniche di ritrasmissione dei pacchetti in caso di errori di ricezione. La correzione degli errori può essere gestita autonomamente da nRF24L01+ attraverso le modalità di automatic packet transaction handling descritte nei fogli tecnici. La scelta (tutt'altro che definitiva!) è stata quella di non utilizzare metodi di correzione degli errori tramite ritrasmissione, per i seguenti motivi:

Al fine di mitigare l'impatto degli errori, se ritenuto necessario è possibile ritrasmettere più volte la stessa misura possibilmente ad intervalli di tempo casuali (nell'esempio ogni dato viene trasmesso due volte a qualche millisecondo di distanza)

Per scegliere gli altri parametri con cui configurare il trasmettitore al fine di minimizzare il consumo, occorre considerare anche ulteriori aspetti:

Il sensore LM75A

Questo circuito ha tre stati per quanto riguarda il consumo energetico:

La figura seguente mostra la lettura di una temperatura:

Quanto consuma un LM75A

Questo componente ha due grossi problemi nel funzionamento in applicazioni a basso consumo:

Il suo uso è quindi giustificato solo per il costo molto contenuto (circa 0,10 €).

La batteria CR2032

Questa batteria ha una capacità nominale di 220 mAh che si riduce sensibilmente quando l'assorbimento di corrente supera 10-20 mA. In particolare viene indicata come ottimale una corrente media di frazioni di mA con picchi di breve durata.

Altri elementi da considerare sono l'autoscarica (circa l'uno percento all'anno) ed il cattivo funzionamento a bassa temperatura.

Si osservi inoltre che nelle prime ore d'uso la tensione scende molto velocemente, per stabilizzarsi intorno ai 3 V o poco meno.

I LED

Il circuito utilizza un LED RGB (Red, Green e Blue) come unico output visibile. Questo componente ha un consumo molto elevato e quindi va utilizzato con estrema moderazione. Di seguito la corrente assorbita con una resistenza in serie da 330 Ω, rispettivamente circa 3,4 mA, 2,2 mA e 1,8mA per ciascun colore. Ovviamente se sono accesi più LED, la corrente è la somma

     

Altri componenti

L'assorbimento di corrente può essere aumentato da:

Analisi sperimentale

La valutazione della durata delle batterie in un'applicazione reale richiede davvero molto tempo... Al momento è stata conclusa solo una prima sperimentazione.

Prima sperimentazione

Il codice e l'hardware usati in questa fase non erano ottimizzati per ottenere un consumo particolarmente basso; questo ha permesso di ottenere dati sperimentali in tempi (relativamente!) brevi. Gli scopi del test erano essenzialmente due:

Il prototipo utilizzato in questa prima sperimentazione conteneva solo le ottimizzazioni di base per la riduzione del consumo energetico:

La sperimentazione è stata condotta ad una temperatura media di 20-22°C con minimi notturni di 14°C.

In queste condizioni il test è durato quasi 18 giorni, fino alla completa scarica della batteria e all'interruzione della trasmissione. Il punto blu presente nel grafico indica la minima tensione raccomandata per il funzionamento di LM75A (nota 4 e nota 5), anche se apparentemente il sensore ha funzionato correttamente per altri cinque giorni (punto verde, tensione di alimentazione di LM75A pari a 2,6 V)

Dirata batteria

In questo lasso di tempo il dispositivo ha effettuato e trasmesso circa 1 200 000 misure di temperatura.

Il grafico seguente mostra la corrente assorbita:

  1. Durante lo standby l'assorbimento è di circa 50 µA
  2. Il watchdog attiva il processore con clock a 16 MHz che a sua volta accende il LED rosso ed il sensore LM75A
  3. Il processore diminuisce la sua frequenza di clock a 1 MHz ed attende per 100 ms che il sensore termini la misura
  4. Il processore imposta nuovamente il clock a 16 MHz e spegne il sensore LM75A
  5. Il processore misura la tensione di alimentazione ed elabora la stringa da trasmettere
  6. nRF24L01+ trasmette il frame contenente temperatura e tensione
  7. Il processore spegne nRF24L0+ ed il LED e torna in standby

Nella tabella a fine pagina sono riportati i valori stimati di durata della batteria, confermati dai dati sperimentali.

Il grafico seguente mostra la tensione erogata dalla batteria nella fase attiva ed è stato rilevato nel giorno immediatamente precedente il termine della sperimentazione, quindi con batteria praticamente scarica. Tale grafico è sovrapponibile al precedente. Si noti in particolare che:

Tensione di alimentazione

Seconda sperimentazione

Questa sperimentazione è nelle prime fasi ed utilizza il codice che potete scaricare a fondo pagina. Rispetto alle modalità utilizzate nella precedente sperimentazione sono stati introdotti alcuni accorgimenti per rendere hardware e software adatti ad essere usati sul campo:

La sperimentazione è iniziata l'11 ottobre 2017 e, se i valori della tabella di seguito riportata sono corretti, dovrebbe concludersi entro la fine dell'anno; anche in questo caso la frequenza di campionamento scelta è decisamente più elevata di quella tipica in una applicazione reale: circa 47 misure al minuto.

Di seguito il grafico che mostra l'andamento della tensione di alimentazione nelle prime 5 settimane di funzionamento; le piccole variazioni misurate sono legate soprattutto alla variazione di temperatura.

Il grafico seguente mostra l'assorbimento di corrente durante la fase attiva, da confrontare con il precedente rispetto al quale si nota la significativa riduzione delle correnti, i lunghi transitori di carica e scarica del condensatore elettrolitico ed il raddoppio della durata.

Leggiamo nel grafico seguente come evolve l'assorbimento di corrente durante una misura:

  1. Durante lo standby l'assorbimento è di circa 5 µA
  2. Il watchdog attiva il processore con clock a 1 MHz che a sua volta attiva il sensore LM75A. Durante questa fase il processore viene posto in modalità idle, lasciando attive le sole periferiche necessarie. In particolare Timer1 riporterà il processore nella modalità operativa dopo 120 ms
  3. Il processore spegne LM75A e misura la tensione della batteria
  4. Viene attivato il clock a 16 MHz per eseguire i calcoli. Il clock più elevato è un buon compromesso tra tempo necessario e corrente utilizzata. Durante questa fase viene acceso il LED blu  (opzionale): esso contribuisce significativamente all'aumento della corrente di questa fase
  5. nRF24L01+ trasmette il frame contenente temperatura e tensione
  6. Dopo un intervallo pseudo-casuale nRF24L01+ trasmette nuovamente il frame contenente temperatura e tensione (opzionale)
  7. Torna la fase di standby, dopo il lungo transitorio di carica del condensatore

Corrente assorbita, seconda versione

Il grafico della tensione non presenta particolari sorprese. Quello qui sotto mostrato è relativo alla batteria solo parzialmente carica. Alcune osservazioni:

Consumo-tensione2

Durata presunta della batteria In fase di sviluppo

La tabella seguente mostra la durata calcolata di una batteria CR2032  con capacità nominale 220 mAh, nelle condizioni descritte in questa pagina. Sono anche riportati i dati sperimentali, quando disponibili.

Durata dello standby 1 1 35 s
Durata della fase attiva 0,12 0,3 0,3 s
         
Corrente durante lo standby 50 5 5 µA
Corrente media durante la fase attiva 4800 530 530 µA
         
Corrente media 560 130 10 µA
         
Durata teorica della batteria 394 1740 23250 Ore
Durata teorica della batteria 16 73 969 Giorni
Durata della batteria (valori raccomandati) 11     Giorni
Funzionamento effettivo 16     Giorni

File da scaricare e pagine da consultare

Note

  1. Per un'analisi dettagliata occorrerebbe tenere conto dell'energia consumata, funzione anche della tensione, nonché della diminuzione della tensione della batteria, dell'aumento della sua resistenza interna e della temperatura. Tutti fatti che renderebbero inutilmente complessa l'analisi...
  2. L'uso del watchdog per questa funzione è almeno in parte improprio, ma si tratta della soluzione che permette il massimo risparmio energetico senza la presenza di hardware esterno
  3. Tale tempo non è indicato sui fogli tecnici...
  4. I fogli tecnici di LM75A  raccomandano una tensione minima di alimentazione 2.8 V (NXP, valore utilizzato) oppure 2,7 V (TI).
  5. Il grafico mostra una tensione di circa 100 mV più bassa di quella che effettivamente alimenta il sensore durante la misura

 

Data di creazione di questa pagina: ottobre 2017
Ultima modifica: 19 novembre 2017

Licenza Creative Commons Attribuzione 4.0 Internazionale


EN - Pagina principale - Sommario - Accessibilità - Note legali e privacy policy - Posta elettronica

XHTML 1.0 Strict - CSS 3