Intermittierende Funksensor-Überwachung
Zusatz-IC senkt Energiebedarf drastisch
Drahtlose Sensoren verbrauchen oft unnötig viel Energie im Leerlauf. Der Zusatz-Chip »nPZero« schaltet SoC und Sensoren nur bei Bedarf ein. So sinkt die Leistungsaufnahme typischer IoT-Systeme um bis zu 90 Prozent. Das spart Batterie, Platz – und macht sogar Energy Harvesting möglich.
Drahtlose Sensoren oder andere Arten von IoT-Endpunkten arbeiten am häufigsten im intermittierenden Betrieb. In einer typischen Anwendung fragt das System regelmäßig einen oder mehrere Sensoren ab und der Host – ein drahtloses SoC – wird nur dann aktiv, wenn ein Messwert einen bestimmten Schwellwert überschreitet, und sendet dann beispielsweise einen Alarm an eine Leitstelle.
In der Kühlkettenlogistik verfolgt beispielsweise ein Überwachungssystem an einem Asset (zum Beispiel eine Palette mit leicht verderblichen Arzneimitteln) die Umgebungstemperatur. Überschreitet diese Temperatur einen Wert, oberhalb dessen die Gefahr besteht, dass das Produkt Schaden erleidet, löst es einen Alarm aus, der zu einem entfernten Asset-Management-System übermittelt wird.
Änderungen der Umgebungstemperatur der Kühlkette treten nicht plötzlich, sondern allmählich auf. Deshalb erfolgt zwischen dem Asset und der Leitstelle, außer regelmäßigen Status-Updates zur Bestätigung, dass das System noch arbeitet, über lange Zeiträume hinweg keine Kommunikation. Dieses Muster, bestehend aus einer Überwachung mit langen Ruhephasen und gelegentlichen Spitzen mit hoher Aktivität, ist ein typisches Merkmal zahlreicher Anwendungen in der drahtlosen und Fernüberwachung.
Leistungsaufnahme um bis zu 90 Prozent senken – das ist möglich
Größe und Lebensdauer der Batterie sind wichtige Parameter, die sich erheblich auf den Wert dieser Art von Produkten auswirken. Heute ist die typische Schaltung zur Implementierung des Systems jedoch von sich aus ineffizient. Mit einem innovativen Ansatz und einer von Grund auf überarbeiteten Halbleiterarchitektur können die Hersteller drahtloser Sensorsysteme die durchschnittliche Leistungsaufnahme ihrer Systeme um bis zu 90 Prozent senken. Dieser neue Ansatz baut auf einem zusätzlichen Chip auf, der mit Sensoren und SoCs dank einer I2C- oder SPI-Schnittstelle kompatibel ist. Dieser Zusatz-Chip, das »nPZero«-IC, erlaubt es, das SoC – zwischen den zu meldenden Ereignissen – und die Sensoren – zwischen den Abfragen – vollständig abzuschalten.
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So können die Entwickler die Laufzeit mit einer Batterieladung erheblich verlängern, die Größe der Batterie verringern oder sogar die Batteriespeisung durch Energy Harvesting ersetzen.
So verschwenden drahtlose Überwachungssysteme mit SoCs Energie
In abgesetzten und drahtlosen Sensorsystemen sind die langen Zeiträume mit niedriger Aktivität normalerweise für den Löwenanteil des gesamten Energieverbrauchs verantwortlich. Der größte Teil der Batterieladung wird im Ruhezustand der Überwachung und nicht in den kurzen Phasen intensiver Aktivität verbraucht. Der größte Energieverschwender in dieser Art der Überwachung ist das drahtlose SoC.
Grund dafür sind die ureigenen Merkmale des SoCs. Das Bauteil muss die Software eines komplexen Kommunikationsprotokolls sowie zeitkritische Operationen zur Signalisierung und zum Systemmanagement ausführen. Damit ein drahtloses SoC diese Funktionen mit hoher Geschwindigkeit ausführen kann, enthält es gewöhnlich einen 32-Bit-CPU-Kern mit großzügig dimensioniertem Flash- und RAM-Speicher – eine leistungshungrige Kombination.
Bestimmend für die Spezifikation dieses Host-SoCs ist die Notwendigkeit, komplexe Operationen zur Funkübertragung und Datenverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit auszuführen. Die Funktionen, um Sensoren zu überwachen und zu erkennen, wenn ein bestimmter Grenzwert überschritten worden ist, sind nicht sonderlich komplex. Hierfür ist das drahtlose SoC gewaltig überdimensioniert. Ein SoC, das für die kurzen Phasen intensiver Kommunikation und Steuerung beim Überschreiten eines Grenzwerts optimiert ist, kann nicht gleichzeitig für eine extrem geringe Leistungsaufnahme in den Phasen ohne Ereignisse konzipiert werden.
Der Prozess zur Halbleiterherstellung für das SoC wird auch gewöhnlich für ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten und nicht für minimalen Energieverbrauch während der Ruhephasen ausgewählt. Damit tragen sowohl die Features des SoC als auch der Aufbau des Halbleiters zu den Energieverlusten bei, die die Batterie im Überwachungsmodus entleeren.
Energiesparende Innovationen bei den Produktmerkmalen und der Halbleiterherstellung
Die Innovation, die es den OEMs ermöglicht, die durchschnittliche Leistungsaufnahme um bis zu 90 Prozent zu senken, baut auf der Erkenntnis auf, dass drahtlose Sensoranwendungen, z. B. in der Kühlkettenlogistik, Energie mithilfe eines Zusatz-Chips sparen können, der für eine Sensorüberwachung mit extrem geringer Leistungsaufnahme ausgelegt ist, und der mit einem drahtlosen SoC, das für seine Leistung bei Funkübertragung und Datenverarbeitung optimiert ist, kombiniert wird.
Dieser Zusatz-Chip ist der nPZero, ein programmierbarer Sensor-Controller, mit dem das SoC zwischen den einzelnen Ereignissen zur Funkkommunikation vollständig abgeschaltet werden kann (Bild 1).
Bei dieser Architektur teilen sich das nPZero und das drahtlose SoC oder die MCU die Rolle des Systemcontrollers. Im Überwachungsmodus steuert das nPZero direkt bis zu vier Sensoren, während die MCU abgeschaltet ist.
Wenn ein Sensorwert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, weckt das nPZero die MCU, um diesen Sensorwert zu melden, und veranlasst die MCU, vorübergehend die Systemkontrolle zu übernehmen.
Das nPZero bleibt immer die Schnittstelle zwischen der MCU und den Sensoren. Das heißt, dass das nPZero abwechselnd im Controller- oder Peripherie-Modus arbeitet. Während der Überwachung mit ausgeschalteter MCU fungiert das nPZero als Controller. Es steuert die Sensoren und entscheidet (anhand der vorgegebenen Grenzwerte), wann für eine Aktion der Betrieb der MCU erforderlich ist. Während das nPZero als Controller arbeitet, ist die MCU quasi ein Peripheriegerät, das vom nPZero gesteuert wird.
Wenn ein Sensorwert einen Grenzwert überschreitet, schaltet das nPZero die MCU ein und geht in den Peripheriemodus. Das nPZero wird nun von der MCU als Sensor-Hub genutzt, indem die Sensorwerte über das nPZero an die MCU gemeldet werden und nicht direkt von den Sensoren an die MCU. Dieser Peripheriemodus wird so lange aufrechterhalten, bis die MCU ihre Operationen abgeschlossen hat. Danach übergibt sie die Systemkontrolle an das nPZero zurück, das seinerseits wieder die MCU abschaltet.
Wie spart der Einsatz des nPZero Energie?
Die Antwort lautet: wegen seiner Merkmale und seiner Art der Herstellung. Beide sind für eine Sensorüberwachung mit geringem Energieverbrauch optimiert. Da die Funktion zur Sensorüberwachung viel anspruchsloser als die zur Funkkommunikation ist, ist das Feature-Set des nPZero im Vergleich zu einem drahtlosen SoC sehr viel einfacher (Bild 2).
Das nPZero basiert auf einem rekonfigurierbaren Logikblock, in dem die Funktionen zur Sensorsteuerung einschließlich der Einschaltphasen der Sensoren implementiert sind. Der Entwickler kann die Betriebsparameter, wie die Zeiten zum Aufwecken der Sensoren und die Grenzwerte, mit dem nPZero-Configuration-Tool einfach konfigurieren und erhält so eine hohe Flexibilität ohne die Notwendigkeit einer leistungshungrigen CPU in einer 32-Bit-MCU.
Dieses reduzierte Feature-Set des nPZero ist in einer kleinen Schaltung implementiert, was dazu beiträgt, den Energieverbrauch zu reduzieren.
Da das nPZero eigens für eine einfache Sensorüberwachung ausgelegt ist und mit einer relativ niedrigen Taktfrequenz arbeitet, kann Nanopower Semiconductor auch eine hohe Signalintegrität und einen zuverlässigen Betrieb bei sehr viel niedrigeren Betriebsspannungen als für ein drahtloses SoC erreichen. Diese Freiheit hat Nanopower dazu genutzt, eine proprietäre Technologie zum Betrieb im Subthreshold-Bereich zu entwickeln, um die analogen und digitalen Features des Bauteils zu implementieren. Diese Technologie liefert erstaunliche Einsparungen bei der Leistungsaufnahme. Beim Betrieb als Systemcontroller, der bis zu vier Sensoren verwaltet, reduziert das nPZero den Leerlaufstrom des Systems typisch auf 100 nA oder noch weniger.
Auf Systemebene sind Energieeinsparungen bis zu 90 Prozent möglich. Nanopower hat drahtlose Sensorsysteme mit dem nPZero DevKit, dem im Kit enthaltenen Temperatursensor und Beschleunigungsmesser in Verbindung mit einer Nordic Semiconductor nRF52840, einer Bluetooth-Low-Energy-Host-MCU, getestet. Ein solches System könnte typischerweise in Anwendungen wie der Überwachung von Waren während des Transports oder zur Protokollierung der Daten einer Kühlkette eingesetzt werden.
Beim Betrieb dieses Demo-Systems ohne nPZero – wobei das SoC nRF52840 den Betrieb der Sensoren direkt über die I2C-Schnittstellen steuert und das nPZero deaktiviert ist – hat die durchschnittliche Stromaufnahme in einem typischen einstündigen Betrieb 400 µA betragen. Das System war dabei so eingestellt, dass alle fünf Minuten ein Status-Update gesendet wurde und Aktionen ausgelöst wurden, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Bereich verlassen hatte.
Nachdem das nPZero zur Steuerung des Systems per I2C aktiviert worden war, wurde das nRF52840 zwischen den Übertragungen ausgeschaltet und die Sensoren wurden vom nPZero gesteuert. Dabei ging die durchschnittliche Stromaufnahme auf 50 µA zurück. Das ist eine Reduzierung um 87,5 Prozent bei gleicher Funktionalität und Leistung, einschließlich der Übertragung von Status-Updates alle fünf Minuten.
Systemevaluierungswerkzeuge jetzt lieferbar
Entwicklungsingenieure, die die Möglichkeiten zur deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs bei drahtlosen Sensorsystemen evaluieren wollen, können das nPZero mit dem hierfür vorgesehenen Entwickler-Kit testen. Es besteht aus einem Mainboard mit dem nPZero-IC, an dem über eine Arduino-Uno-kompatible Schnittstelle PMOD-Sensorkarten und SoC-Daughterboards angeschlossen werden können (Bild 3).
Diese Entwicklungsplattform ermöglicht es den Entwicklern drahtloser IoT-Produkte, ihre Anwendung in der gleichen Weise wie das oben beschriebene System zur Datenprotokollierung in der Kühlkette mit dem drahtlosen SoC und den Sensoren ihrer Wahl schnell zu testen und den Energieverbrauch des Systems mit und ohne nPZero zu vergleichen.
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