بهینه سازی محدوده سیگنال بلوتوث و مصرف برق برای دستگاه های جاسازی شده

فن آوری بلوتوث ستون فقرات دستگاه های جاسازی شده بی شمار، از ردیاب های تناسب اندام و سنسورهای خانه هوشمند به ایمپلنت های پزشکی و گره های صنعتی IoT است، برای مهندسان و توسعه دهندگان محصول، دو معیار اغلب موفقیت یک طراحی بی سیم را دیکته می کنند: محدوده سیگنال و مصرف برق بیش از حد می تواند یک باتری سلول سکه را در ساعت ها تخلیه کند، در حالی که کاهش قدرت بیش از حد تهاجمی ممکن است در اثرات ثابت و داده های کاهش یافته، این تکنیک های عمیق طراحی را برای بهینه سازی باتری، ارائه دهد.

درک قابلیت بلوتوث سیگنال

بلوتوث در باند 2.4 گیگاهرتز کار می کند، یک محدوده فرکانس شلوغ با Wi-Fi، Zigbee و مایکروویو. دامنه قابل دستیابی بستگی به کلاس بلوتوث، بهره وری آنتن، حساسیت گیرنده و کاهش محیط زیست است. دستگاه های کلاس 2 ( رایج ترین، با +4 dBm قدرت انتقال) به طور معمول به 10 -30 متر خط دید دستگاه های کلاس 1 (+20) نیاز به مدیریت قابل حمل و یا بیشتر دارند.

با این حال، قدرت خروجی خام تنها یک طرف معادله است. بودجه لینک - مجموع قدرت فرستنده، دستاوردهای آنتن و حساسیت گیرنده از دست دادن مسیر - تعیین محدوده دنیای واقعی است. گیرنده معمولی BLE حساسیت در اطراف -90 تا -97 dBm افزایش می یابد.

عوامل موثر بر محدوده سیگنال

تنظیمات قدرت ترانسمرمرور: اکثر تراشه های قابل تحمل از سطوح مختلف قدرت پشتیبانی می کنند (به عنوان مثال، 20 dBm به +8 dBm) قدرت برتر گسترش می یابد اما افزایش قرعه کشی فعلی.
کیفیت و قرار دادن آنتینا یک آنتن ضعیف سازگار می تواند کمتر از 10٪ از قدرت را تابش کند. آنتن های ردیابی PCB، آنتن های تراشه و دو قطبی خارجی همه دارای مبادلات تجاری مختلف در به دست آوردن و پهنای باند.
موانع و مداخله فیزیکی: دیوار، اشیاء فلزی، و بدن انسان باعث انعکاس، جذب و چند محو شدن می شود. باند 2.4 گیگاهرتز به ویژه مستعد آب و کاهش بتن است.
گروه و همزیستی: فرکانس انطباق (AFH) به بلوتوث کمک می کند تا از کانال های پیچیده جلوگیری کند، اما ترافیک سنگین Wi-Fi هنوز هم می تواند با مجبور کردن انتقال مجدد دامنه را کاهش دهد.
نرخ داده و ساختار بسته: نرخ داده های بالاتر (LE 2M PHY) زمان در هوا را کاهش می دهد، اما همچنین حساسیت گیرنده را حدود 5 تا 3 دسی بل در مقایسه با 125 کیلوبایت کد شده PHY، که دامنه را در هزینه از طریق قطع گسترش می دهد.

استراتژی های بهینه سازی مصرف انرژی

بهینه سازی قدرت در دستگاه های جاسازی شده بلوتوث یک چالش چند لایه است.اف.ان.ان.م.سی.ان.سی.ان تنها یک عضو است؛ میکروکنترلر، تنظیم کننده های ولتاژ و حتی پشته نرم افزار همه بر عمر باتری تاثیر می گذارد. موثرترین روش این است که زمان فعال رادیو را در حالی که حفظ قابلیت اطمینان اتصال لازم است، به حداقل برساند.

تکنیک های مدیریت قدرت

از حالت های بلوتوث کم قدرت استفاده کنید: حالت بلوتوث کم انرژی (BLE) مانند LE 1M و LE Coded به طور قابل توجهی کمتر از بلوتوث کلاسیک است.
قدرت انتقال به طور پویا: پیاده سازی یک الگوریتم کنترل برق حلقه بسته که قدرت TX را کاهش می دهد هنگامی که پیوند قوی است (به عنوان مثال، RSSI > 50 dBm) و آن را تنها در صورت نیاز افزایش می دهد.
فاصله های ارتباطی کارآمد و زمان نظارت را تنظیم کنید: فواصل اتصال طولانی تر (به عنوان مثال، 100-400 متر) باید زمان نظارت را به اندازه کافی تنظیم کنند تا از قطع اتصال های شدید در طول مداخله کوتاه جلوگیری شود.
حالت خواب و تقاضای بیداری را بارور کنید؛ کنترل کننده بلوتوث را در خواب عمیق بین رویدادهای اتصال قرار دهید.استفاده از بیداری در رادیو یا بیداری مبتنی بر GPIO برای برنامه های مبتنی بر رویداد مانند سنسورهای درب.
بارگذاری و فرکانس تبلیغات را کاهش دهید: بسته های تبلیغاتی را کوتاه نگه دارید و فقط زمانی که استاندارد 31- بایت محموله کافی نیست، از تبلیغات استفاده کنید.

تکنیک های مدیریت پیشرفته قدرت

فراتر از تنظیمات اساسی، توسعه دهندگان می توانند از ویژگی های پیشرفته BLE استفاده کنند. قدرت کنترل ویژگی (بخشی از بلوتوث 5.2) اجازه می دهد تا یک محیط جانبی برای درخواست مرکزی برای افزایش یا کاهش قدرت انتقال آن بر اساس قدرت سیگنال دریافت شده، به طور مشابه، .1LE طبقه بندی کانال از کانال های مداخله بالا جلوگیری می کند، کاهش قدرت انتقال زباله.

یکی دیگر از مناطق که اغلب نادیده گرفته می شود پشته نرم افزار است.فرآیند برای وقفه یا استفاده از تماس های تابع مسدود کننده می تواند CPU را در حالت فعال مدت زمان بیشتری نسبت به زمان لازم نگه دارد.استفاده از API های مبتنی بر رویداد، غیر بلوکی و اختصاص دادن یک تایمر کم قدرت برای فواصل اتصال برنامه ریزی شده.

تعادل و مصرف انرژی

معامله کلاسیک: افزایش قدرت انتقال محدوده را گسترش می دهد اما عمر باتری را کوتاه می کند.برای تجسم این، یک دستگاه BLE با باتری 500 میلی آمپر در +4 dBm (2.5 میلی آمپر mA TX فعلی)، اتصال 30 میلی متر هر 100 میلی ثانیه به طور متوسط حدود 1.5 میلی ثانیه (از جمله MCU و خواب)، ارائه تقریبا ساعت ها استفاده مداوم (در همین زمان، می تواند به طور متوسط 5 ثانیه کاهش یابد.

بنابراین طراحان باید محدوده قابل قبول را تعریف کنند برای محصول نهایی، در یک ترموستات هوشمند، از دست دادن اتصال در 20 متر ممکن است قابل قبول باشد اگر دستگاه همیشه در عرض 10 متر دروازه باشد.

تجارت عملی در طراحی جاسازی شده

قدرت TXDynamic در مقابل قدرت ثابت بالا: قدرت بالا ثابت (~ 8 dBm) ساده تر اما هدر رفته است زمانی که گیرنده نزدیک است. الگوریتم های سازگار نیاز به اندازه گیری RSSI و یک حلقه کنترل، اضافه کردن 2 -5 کیلوبایت از سربار سیستم عامل.
انتخاب آنتenna: آنتن تراشه سرامیک فضای هیئت مدیره را ذخیره می کند، اما به طور معمول دارای -2 به -4 DBi به دست آوردن یک تک قطبی موج خارجی با +2 DBi به دست آوردن می تواند محدوده توسط 4-6 dB بدون افزایش جریان TX گسترش یابد.
انتخاب فیزیکی: LE کد شده PHY (S=8) سه برابر بیش از LE 1M PHY با استفاده از برنامه نویسی تکرار، اما کاهش داده ها از طریق قطع و افزایش زمان در هوا، به طور بالقوه افزایش میانگین جریان برای انتقال داده های بزرگ.
خواب در مقابل بی قرار: بسیاری از کنترل کننده های بلوتوث از حالت "سخت" پشتیبانی می کنند که در آن رادیو به طور خلاصه برای گوش دادن به یک بسته پس از بیدار شدن بیدار می شود، این از قدرت بسیار کمتری نسبت به باقی مانده در حالت فعال در نظر گرفتن لینک استفاده می کند.

بررسی های کاربردی در دنیای واقعی

محیط زیست Adaptation

دستگاه های جاسازی شده در محیط های مختلف کار می کنند.یک پوشیدنی که بر روی بدن انسان پوشیده شده است، 5 تا 15 dB جذب را به دلیل آب و بافت تجربه می کند. سنسورهای IoT صنعتی پشت محفظه فلزی ممکن است نیاز به تکیه بر آنتن های خارجی داشته باشد و یک سیم پیچ ضعیف را اضافه کند.

طراحی دکوراسیون برای مهندسان جاسازی شده

آنتن اغلب ضعیف ترین لینک در زنجیره است.این قوانین را برای جلوگیری از هدر رفتن قدرت دنبال کنید:

آنتن را در لبه PCB قرار دهید، با یک پاکسازی زمینی حداقل 5 میلی متر.
از یک شبکه تطبیق یافته برای 50 اهم در 2.45 گیگاهرتز استفاده کنید.یک عکس از خازن های گمراه کننده می تواند فرکانس تکرار مجدد را به وسیله ده ها مگاهرتز تغییر دهد.
از اجرای رد پای دیجیتال با سرعت بالا در نزدیکی خط تغذیه آنتن خودداری کنید، حتی یک جفت شدن 1 میلی متری می تواند باعث کاهش سرعت شود.
برای دستگاه های باتری با یک هواپیمای کوچک زمینی، استفاده از یک IFA (در آنتن معکوس-F) یا یک مونوپول meandered را در نظر بگیرید، این عملکرد بهتری نسبت به یک ردیابی PCB ساده ارائه می دهد.

همزیستی با دیگر تکنولوژی های بی سیم

در بسیاری از محصولات، بلوتوث باند 2.4 گیگاهرتز را با Wi-Fi یا Zigbee بدون همزیستی مناسب، retransmissions به سرعت، افزایش مصرف برق تا 30 تا 50٪ شامل:

[FLT: 1] فرکانس سازگار (AFH): بلوتوث LE به طور خودکار کانال های استفاده شده توسط Wi-Fi اگر تراشه از آن پشتیبانی می کند، اطمینان حاصل می کند که AFH فعال است و در پشته بیش از حد شلوغ نیست.
زمان-domain جدایی: برخی از تراشه ها اجازه می دهند یک پایه داوری همزیستی (به عنوان مثال BT ACTIVE) برای برنامه ریزی انتقال زمانی که Wi-Fi بیکار است.
تقسیم یک آنتن واحد؛ [FLT 1] از یک سوئیچ RF با انزوای مناسب برای جلوگیری از سوزاندن قدرت از طریق نشت استفاده کنید.

نتیجه گیری

بهینه سازی محدوده بلوتوث و مصرف انرژی برای دستگاه های جاسازی شده یک تمرین یک اندازه مناسب نیست، نیاز به درک کامل از محیط رادیو، طراحی آنتن، گزینه های فیزیکی و استفاده خاص از پویایی های عنصری است که می تواند به عنوان ویژگی های کم قدرت، استفاده از کنترل قدرت پویا، انتخاب آنتن مناسب، و تنظیم دقیق پارامترهای اتصال، مهندسان بی سیم می توانند محصولات قوی را حفظ کنند، در حالی که بهترین اتصالات قدرت قابل قبول را ندارند.

برای مطالعه بیشتر، با مشخصات هسته ای برای پارامترهای کنترل دقیق و قدرت مشورت کنید، و یادداشت های کاربردی از فروشندگان سیلیکون مانند Nordic Semiconductor] [FLT3] و Texas ابزار برای راهنمای پیاده سازی عملی] بر روی طراحی کاغذ سفید [FBLE] را بررسی کنید.