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»Schnüffelmodus lässt die Batterie lange leben«

Längere Batterielaufzeit auch bei Funkempfängern

21. August 2012, 12:36 Uhr | Willem Ongena und Manne Kreuzer

Testaufbau mit dem Evaluation Board TRXEB

Sporadisch sendende, Batterie gespeiste Funksensoren mit Betriebsfrequenzen in einem der Sub-GHz-Bänder finden immer mehr Verbreitung. Je größer die Funk-Intervalle werden, umso mehr Bedeutung kommt der Stromaufnahme des Funkempfängers im Ruhemodus zu. Der von Texas Instruments entwickelte »Sniff-Mode« eröffnet dabei große Sparpotenziale.

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»Die Realisierung Batterie gespeister, Energie sparender Funksensoren ist technisch keine große Herausforderung«, erklärt Hans-Günter Kremser, Senior Field Application Engineer für analoge Produkte bei Texas Instruments.

»Die Erklärung liegt darin, dass das Gesamtsystem, bestehend aus Sensor, Mikrocontroller, Funkchip und Batterie, in der Regel zu programmierten Zeiten aufwacht und Daten sendet. Die meiste Zeit befinden sich Controller und Funkmodem im Schlaf-Modus«.

Weitere Energieeinsparungen sind möglich, indem man die Messdaten nur dann sendet, wenn sich diese geändert haben. Bleibt es beim alten Wert, muss dieser nicht noch mal geschickt werden. Dabei gilt der Stromaufnahme des Senders die höchste Aufmerksamkeit. Während beispielsweise TIs »MSP430 FRAM«-MCU (Micro Controller Unit) im aktiven Modus bei 10 MHz Taktfrequenz nur unter 1 mA zieht, benötigt der Sender je nach Frequenzband und abgestrahlter Leistung bis zu 45 mA. Ein typisches Szenario für eine Temperaturmessung wäre folgendes:

Beim Mikrocontroller läuft nur die Echtzeituhr, und diese weckt die CPU nach einem vorgegebenen Intervall durch einen Interrupt auf.
Die MCU misst die Temperatur am Sensor und versorgt diesen dafür mit Strom.
Hat sich die Temperatur geändert wird der Funkchip aufgeweckt, die Daten werden übertragen und der Befehl zum Senden wird übermittelt.
Eventuell wird auf eine Bestätigung durch den Empfänger gewartet, oder man schickt die Daten öfter und hofft, dass schon alles gut gehen wird.
Danach geht der Mikrocontroller wieder in den Ruhemodus.

Auf der Empfängerseite funktioniert das Prinzip »periodisch aufwachen« allerdings nicht so einfach. Hierzu gibt es verschiedene Protokolle, wie ANT oder auch den IEEE802.15.4 MAC. Beide erlauben einen so genannten »Beacon Mode«: Hier werden Empfänger und Sender synchronisiert, das heißt beide wachen periodisch gleichzeitig auf um die Daten zu übermitteln.

Empfänger »schnüffeln« lassen

Alternativ dazu gibt es die Möglichkeit, den Empfänger »schnüffeln« zu lassen. Auch in diesem »Sniff-Mode« wird der Empfänger periodisch aufgeweckt, um festzustellen ob Daten für ihn bereitstehen. Die Intervalle sind jedoch wesentlich kürzer; konkret liegen sie im Millisekunden- und nicht im Minuten-Bereich.

Einige Halbleiterhersteller bezeichnen diese Funktion als WOR (Wake On Radio), wobei diese Bezeichnung durchaus missverstanden werden kann. Mit einer »echten» WOR-Funktion wird der Empfänger erst durch die im HF-Signal enthaltene Energie aufgeweckt und beginnt dann, Strom zu ziehen. Oft spricht man aber bereits von WOR, wenn nur ein periodisches Aufwachen des Empfängers gemeint ist.

So ist es auch bei den Transceiver-Bausteinen der »Performance Line« von TI. Die Transceiver dieser Familie unterstützen sowohl WOR als auch einen neuen »Sniff-Mode«, den Kremser so erklärt: »Dieser Sniff-Mode erlaubt es, dass der Transceiver während der Datenübertragung zwischen den gesendeten Paketen in den Stromspar-Modus wechselt. Das ist ein wesentlicher Unterschied zum WOR-Mode. Der Benutzer kann ferner wählen, ob der Empfänger anhand der Präambel oder des Eingangssignalpegels aufgeweckt wird.« Der Stromspareffekt ist beim Aufwachen durch einen einstellbaren Signal-Pegel zwar größer, jedoch wird der Baustein unter Umständen auch durch andere Störer geweckt. Störsicherer ist die erste Variante, die den Baustein durch eine definierte Präambel aufweckt.Folgende Möglichkeiten stehen zur Verfügung, um dieses Feature zu unterstützen:

a) Der Timer (zum periodischen Aufwecken) ist im Empfänger integriert und wacht ohne Zutun eines durch einen Mikrocontroller initiierten Interrupt auf.
b) Der Timer des Mikrocontrollers generiert den zum Aufwecken benötigten Interrupt und weckt den Empfänger auf.

Die Bausteine der Performance Line haben den Timer integriert und können über einen GPIO-Pin den Mikrocontroller aufwecken.