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Funksensorknoten

Effizient vernetzt

18. Dezember 2014, 8:24 Uhr | Ralf Higgelke

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Optimierter Verbrauch

Die Auswirkungen der Zertifizierung auf die Stückkosten hängen von der Fertigungsmenge ab. Als Beispiel diene ein Design mit Hardwarekosten in Höhe von 1 US-Dollar bis 1,50 US-Dollar pro Einheit und einer Gesamtproduktionsmenge von 10.000 Stück. Bei geschätzten FCC-Zertifizierungskosten in Höhe von 10.000 US-Dollar würde dies die Kosten pro Einheit verdoppeln. Die Zertifizierungskosten für einen Funkstandard würden zusammen mit den Pre-Compliance-Testkosten und der Testausrüstung die Kosten weit über 10.000 US-Dollar erhöhen.

Optimierter Verbrauch

Ein effektives Stromverbrauchsmanagement ist entscheidend für einen Funksensorknoten, der über Energy Harvesting versorgt wird, und beeinflusst jede Designentscheidung. Die Konfiguration der Funkübertragung sollte besonders beachtet werden, um jeglichen unnötigen Stromverbrauch zu vermeiden. Parameter wie das Modulationsschema, die Datenübertragungsgeschwindigkeit und die HF-Ausgangsleistung in der Antenne beeinflussen den Gesamtstromverbrauch. Generell sorgen kürzere Aktivperioden für einen niedrigeren Durchschnittsverbrauch. Dann muss sichergestellt sein, dass alle Bauteile des Designs, von der LED bis zum Mikrocontroller oder Sender die maximale Zeit im Low-Power-Modus verbringen.

Bei einer höheren Datenrate verbraucht das System mehr Strom. Zur Abwägung sollte man aber beachten, dass kürzere Paketlängen den Energieverbrauch senken. Ebenso beeinflusst das Modulationsschema den Stromverbrauch. ASK- oder OOK-Modulation verbrauchen weniger Energie, da bei ASK Perioden mit verringerter, bei OOK sogar Perioden ohne HF-Leistung auftreten. Auch der durchschnittliche Stromverbrauch ist mit ASK geringer. Trotzdem ist die bevorzugte Modulationsart FSK, da sie eine wesentlich höhere Datenrate ermöglicht.

Ist nur eine einfache Einwegkommunikation nötig, kann das Design einen einfachen HF-Sender verwenden. Soll allerdings eine Zertifizierung nach einem Funkstandard wie IEEE 802.15.4 erfolgen, ist ein spezieller Controller zu bevorzugen. Der Mikrocontroller »PIC12LF1840T48A« von Microchip bietet einen integrierten HF-Sender, der eine Datenrate von 10 kBit/s im OOK-Modus und 100 kBit/s im FSK-Modus unterstützt (Bild 1). Mit FSK-Modulation werden die Daten also zehnmal schneller übertragen als mit OOK. Bei höheren Datenraten kann ein HF-Empfänger FSK-Signale auch wesentlich effizienter empfangen und dekodieren als bei einer ASK-Modulation.

Zu einem geringeren Stromverbrauch tragen auch die stromsparenden Shutdown-Modi des Mikrocontrollers bei. Die Frequenz, mit welcher der Sensor Daten übertragen muss, hängt von der Reaktionszeit jeder Anwendung ab. Eine längere Zeitdauer zwischen Aktivperioden heißt, dass der Controller mehr Zeit im Low-Power-Modus verbringt und der durchschnittliche Stromverbrauch sinkt.

Der Stromverbrauch hängt auch von der Art der Daten ab, die der Sensor zwischen den Übertragungen erfasst. Der Datenempfang von Operationsverstärkern und einer Wägezelle erfordert einen relativ hohen Strom im Vergleich zum Stromverbrauch während der HF-Datenübertragung.