הבנת פרופילי צריכת החשמל של Bluetooth Low Energy למכשירי חיי סוללה ארוכים

Bluetooth אנרגיה נמוכה (LE) הפכה לפרוטוקול האלחוטי הדומיננטי של האינטרנט המופעל על ידי סוללות של דברים (IoT) מכשירים, מעוקבים כושר וצופים חכמים לחיישנים רפואיים ונקודות בית חכמות.ההגדרתו היא היכולת לשמור על קישוריות אלחוטית תוך כדי ציור הזמנות של גודל פחות נוכחי מאשר Bluetooth קלאסי.עם זאת, השגת חיי סוללה רב שנתית שהובטחו לעתים קרובות על אריזה דורש הבנה עמוקה של פרופילי צריכת החשמל הטבועים ל- Bluetooth ועד כמה שהוא תורם לכל מצב חשמל תפעולי.

מפתחים שתופסים פרופילים אלה יכולים להפוך את העסקאות המיודעות בין היענות, נתונים באמצעות חישוב, ויעילות אנרגיה. מאמר זה בוחן את מצבי הכוח הליבה של Bluetooth LE - פרסום, סריקה, חיבור ושינה - ומרחיק את הפרמטרים המרכזיים הקובעים את ההמראה הנוכחי.זה מתורגם כי ידע באסטרטגיות פעולה עבור חיי סוללה במוצרים אמיתיים.

מקור: Bluetooth LE Power פרופילs and States

(הפרוטוקול) הוא מבוסס על עיקרון פשוט: צמצם את הרדיו בזמן אמת, הפרוטוקול משיג זאת באמצעות קבוצה מתוכננת של מדינות המוגדרות ב-FLT:0 Bluetooth Core SpecificationFLT:1 כל מכשיר Bluetooth LE קיים באחת מחמש המדינות העיקריות: FLT:2StandbyFLT 3: 3, 4LT5, LT5, LT1, LT1, LT1

לכל מדינה יש פרופיל הצריכה הנוכחי שלה, המשתנה בהתאם לתדירות הרדיו, כוח התפוקה, אורך החבילה ומחזור החובה.האתגר המרכזי של מפתח הוא לארגן את המדינות האלה כך שהרדיו מוציא את הרוב המכריע של זמנו במצב הכוח הנמוך ביותר - עמידה - בעודו עדיין עומד בדרישות היישום עבור גילוי יכולת ועברת נתונים.

מצבי צריכת חשמל מרכזיים מפורטים

מצב פרסום

פרסום הוא המנגנון שבו Bluetooth LE peripheral מכריז על נוכחותו.המכשיר מעביר חבילות קטנות על שלושה ערוצי פרסום ייעודיים (3, 38,39) במרווחים שנקבעו על ידי FLT:0adizing מרווח FLT 1 בדרך כלל המקור הראשון של ניקוז אנרגיה במחזור החיים של מוצר, כי המכשיר חייב פולט חבילות בקצב המאפשר מכשיר מרכזי (כמו שער) או במהירות סמארטפון.

הכוח הנצרכים במהלך הפרסום תלוי בשלושה גורמים עיקריים:

  • כוח (כוח Tx)FIRLT:1; גבוה יותר כוח שידור עולה טווח אבל גם יותר גבוה יותר תוספת הנוכחית של רדיו Bluetooth LE עשוי לצייר 5-10 מ"א 0 dBm כפול זה ב +8 dBm.
  • (FLT:0) מניעת מרווחי זמן (FLT:1): הזמן בין אירועי פרסום מוצלחים.A 20 מ's המרווח תוצאות ב 50 אירועים לשנייה, ניקוז הסוללה הרבה יותר מהר מאשר מרווח של 1 שניות.
  • (FLT:0) אורך פארפלי (Packetve אורך FLT:1): מטענים פרסומת יכולים לנוע בין 0 ל-31 ע"י שליחת נתונים נוספים לאירוע מרחיבים את הרדיו בזמן קצר, אך העלות הדומיננטית היא חבילת preamble וכתובת הגישה מעל פני ראש.

עבור יישומים שבהם גילוי מהיר הוא מיותר - כגון חיישן טמפרטורה המשדר פעם לדקה - מרווח הפרסום ניתן להגדיר לכמה שניות, צמצום זרם ממוצע ממיקרו-אמפים לנונומפים. מוצרים רבים גם ליישם FLT:0fast פרסוםפרסום מהיר פרסום FLT:1 לתקופה קצרה לאחר כוח (למשל, 30 שניות ב-20 מ"מ) לפני המעבר לפרסום איטי, ארוך טווח ארוך טווח.

פרסום:BLE 5.0+

Bluetooth 5.0 הציגה את 37 ערוצי הנתונים, כמו גם את שלושת ערוצי הפרסום העיקריים.זה מאפשר פרסום גדול יותר (עד 255 על ידי קובצים לחבילה) ותומכת בפרסום תקופתי ניתן להיות יותר יעיל עבור מכשירים הדרושים לשידור נתונים גדולים יותר, כמו גם מעביר את החבילה של ערוצי חשמל מוגבלים, אך ניתן להעביר את הפרסום באופן קבוע רק לעדכונים גבוהים יותר, אך ורק לחיסכון גבוה יותר, אך ניתן להעביר את המאובטח על פני השטח, אך ורק על פני זמן מוגבל, אך ורק על פני זמן, אך ורק על פני זמן שידור גבוה יותר, אך ורק על פני השטח, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, ניתן להעביר את המאובטח, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ורק על פני זמן, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ניתן יהיה מוגבל, אך ורק על פני זמן מסך זמן מסך זמן מסך זמן, אך ניתן יהיה יותר, אך ורק על גבי חסכוני יותר, אך ניתן יהיה מוגבל, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ניתן להעביר את המאובטח, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר, אך ורק על גבי חסכון גבוה יותר,

מצב סורק

סורק הוא המקביל לפרסום.מכשיר סריקה מקשיב לפרסומות בשלוש הערוצים העיקריים.רוב המכשירים המופעלים על ידי סוללות לפעול כפריפריה ולא לסרוק לעתים קרובות, אבל סריקה משמשת על ידי טלפונים חכמים, שערים וכמה צניפים מתקדמים שצריך לגלות מכשירים אחרים.

חלון הסריקה הוא משך ההאזנה לרדיו בכל ערוץ.חלון ארוך יותר מגביר את הסיכוי לקבל פרסומת אבל שואב יותר זרם. מרווח הסריקה הוא הפער בין חלונות סריקה מוצלחים. סורק פסיבי שמקשיב רק 30 מ' כל שנייה צורכת הרבה פחות אנרגיה מאשר אחד שמקשיב ברציפות.עבור שערים מופעלים על סוללות או תגי נכסים הדרושים כדי לקבל פרסומות ממכשירים רבים, חייב בזהירות בזהירות רבה בזהירות רבה נגד סוללות.

מצב חיבור

לאחר שקשר הוקם, הפריפריה והמרכזית נכנסים ללוח זמנים של החלפת נתונים תקופתיים המוגדר על ידי ה-FLT:0.10.10.10.10.10.10.2slave latencyFLT 3, ו-FLT:4 זמן השגחה על פני השטח:5 מרווח החיבור הוא הזמן בין אירועים - ערכים אופייניים מ-7.5 מ- 4 שניות, כולל קבלת חבילות על פני כל אחת.

גורמי הכוח העיקריים בקשר הם:

  • (FLT:0) מרווחי זמן קצרים (FLT:1): מרווחי זמן מקטינים את מספר האירועים בשנייה, תוך הורדת זרם ממוצע.
  • (FLT:0) מאפשר ללגלג על מספר מוגדר של אירועי חיבור רצופים ללא האזנה, זהו אולי הקוב החזק ביותר לחיסכון בכוח במכשיר מקושר. חיישן שמעביר נתונים כל חמש שניות, אך יש לו שפע של 99 אירועים ללא שקיפות, יכול למעשה להתעורר רק כל 100 מקטעים בממוצע.
  • (ב) [15] מידע באמצעות חישוב FLT:1: שליחת נתונים מהר יותר (באמצעות גודל החבילה גדול יותר או PHY גבוה יותר כמו 2 Mbps) מורידה את הרדיו ב-Time עבור כמות מסוימת של נתונים.שימוש ב- 5.0FLT:2 Data אורך הרחבה (DLE) 3 כדי לשלוח עד 247 על ידי חבילות יכול לשפר באופן משמעותי את היעילות של אנרגיה עבור העברות גדולות.

שינה (Standby)

ב Standby, הרדיו מופעל לחלוטין. שבב Bluetooth LE מתוכנן היטב צורך רק כמה מאות ננומונים לכמה מיקרו-אמפים במצב שינה - לעתים קרובות מוגבל על ידי דליפה בשרירים המתח של המערכת או שעון בזמן אמת ולא רדיו עצמו.FLT:0Sle הוא המקום שבו המכשיר מבלה את הרוב המכריע של החיים התפעוליים שלו, מצמצם את כמות השינה של ימינו (כלומר, רק כדי לשמור על רכיבי שינה נמוכים יותר).

מכשירים רבים מתעוררים משינה בלבד כדי לבצע אירוע פרסום או אירוע חיבור, ואז לחזור מיד לישון.ה-FLT:0 [מחזור מחזור מחזורי מחזורי של 1] (רדיו בזמן מחולק לאורך זמן הכולל) הוא מדד מפתח.מכשיר מתעורר כל שנייה כדי לשלוח פרסומת 2 מ' 32 מטר יש מחזור 0.2%.אם הרדיו שואב 10 מ'A בעוד פעיל ו 1Aμ בעוד שממוצע הוא 007 ל-A 0.

גורמים המשפיעים על צריכת חשמל כוללת

מעבר לפרמטרי מצב הבסיס, מספר גורמים ברמת המערכת משפיעים על צריכת החשמל בעולם האמיתי:

  • (FLT:0) Transmit PowerveFLT:1: כל 3 dB גדל כוח התפוקה מכפיל בערך את התוספת הנוכחית של מגבר הכוח. השתמש בכוח המינימום הדרוש לתקשורת אמינה, במיוחד בפריסה לטווח קצר.
  • (FLT:0 PHY ModigFLT:1): Bluetooth LE תומך 1 Mbps (LE 1M), 2 Mbps (LE 2M), ואת ה- PHY לטווח ארוך (125 kbps ו 500 kbps) ה-coded PHY צורכת יותר אנרגיה לזמן כי ביטים חוזרים על תיקון, אבל זה מציע טווח רחב, באמצעות שיעור המזערי ביותר האפשרי על פני רדיו.
  • (FLT:0) תנאי ההבנות (FLT:1): בין ההפרעה ורבפת יכולים לגרום לאובדן חבילות, מה שמוביל להתקפות חוזרות על ערוצי פרסום להגדיל את השימוש באנרגיה.
  • (FLT:0Microcontroller עיבוד עיבוד של MCU) 1:1: MCU חייב לעבד חבילות ולהפעיל קוד יישום.שימוש בקושחה בעוצמה נמוכה MCU ואופטימיזציה של קושחה לישון בין אירועים הוא חיוני.רבים SoCs משלבים Bluetooth LE ו- MCU על אחד למות כדי למזער את הנוכחי.
  • (FLT:0) חיישנים היקפיים (PeripheralחיישניםFLT:1: נטילת קוראי חיישן (למשל, מאיץ, טמפרטורה) יכול לשלוט בצריכת החשמל אם נעשה לעתים קרובות מדי.

עידוד ומודל של כוח

כדי לייעל את חיי הסוללה, מפתחים חייבים למדוד את הפרופיל הנוכחי של המכשיר שלהם. AFLT:0-הווה-scilloscopecioFLT 1 או מיוחד מיוחד FLT:2 Power פרופילrph 3 (אפשר ללכוד את הספיקים ברמת המילימטר במהלך פרסום ואירועי חיבור.

ספקים רבים SoC מספקים מחשבוני חשמל מבוססי Excel כי צריכת מודלים המבוססים על פרמטרים כגון מרווח חיבור, גודל החבילה, מחזור חובה. כלים אלה הם נקודת התחלה טובה אבל צריך להיות מאומת עם המדידות האמיתיות, כי קצבאות ברמת לוח ויעילות הרגולטורית מתח יכול לגרום סטייה.

קצבה חשובה: הדחף הפנימי של הסוללה יכול לגרום לירידה מתח במהלך הדופקים הנוכחיים (למשל, 10 מ"א עבור 2 מ"ס) אם המתח נופל מתחת לסף החום של השבב, המכשיר עשוי לאפס.

אסטרטגיות לאופטימיזציה של צריכת חשמל

הנה אסטרטגיות מעשיות, מקובצים על ידי מצב, כי מפתחים יכולים ליישם מיד:

אופטימיזציה לפרסום

  • (FLT:0) תוכנית פרסום דו-שלבית: פרסומת במהירות (למשל, 20 מ') רק למשך 30 שניות הראשונות לאחר הפאוור-אפ, ולאחר מכן לעבור למרווח איטי (למשל, 1-4 שניות) זה סטנדרטי עבור משואות BLE שזקוקות להגדרה מהירה אך לאחר מכן לפעול ללא השגחה.
  • (ב) ניתן להחזיר את מספר התגמולים (ב) ל[[1924]]: "המידע החיוני היחיד בפרסום.
  • (FLT:0)Considerפרסום FLT:1: אם הפריפריה יודעת את הכתובת של המרכז, היא יכולה להשתמש בפרסום מכוון, שהוא יעיל יותר כי היא מכוונת מכשיר ספציפי ומנסה ברגע שהקשר הוקם.
  • (FLT:0)Use non-connectable PublishingFLT: for Broadcasting-Only Applications (beacons), השתמש בפרסום לא ניתן להתחבר כדי למנוע את פני המדינה של שמירה על קשר.

אופטימיזציה של קישורים

  • (ב) [ה]הפסקה: [ה], [ה], [ה],] ל[[המאה ה-1], שהרי] יש צורך ב[[המאה ה-20]], ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]
  • (FLT:0) עצלות העבדות באגרסיביות: העבד יכול לדלג על רוב אירועי החיבור.קבע את מספר האירועים המדלפקים גבוה ככל שהיישום יכול לסבול.לדוגמה, תחנת מזג אוויר שמעבירה נתונים כל 10 דקות יכול לקבוע עצלות עבדים ל-599 עם מרווח של 1 שניות, לישון ביעילות עבור 599 מתוך 600 אירועים.
  • (ב) ,0) ,Bundle DataFLT:1: במקום לשלוח חיישנים קורא אחד בכל פעם, לצבור מספר קריאה ולשלוח הודעה אחת גדולה באמצעות DLE.
  • (ב) אם לא נדרש חיבור לתקופות ארוכות, לקרוע אותו ולחזור לפרסום או לישון.

אופטימיזציה לשינה

  • (FLT:0) השתמש במצב השינה הנמוך ביותר של כוח האדם: ב-NRF52 הנורדי, שהוא מערכת על עם שימור RAM; ב- TI CC13xx, הוא עומד מול RTC פועל.
  • <חזק> לחץ על השעון הראשי מחזור: השתמש בקובץ 32 kHz שמושך <500 nA. להימנע משימוש ב- oscillator מהיר עבור תזמון מתעורר.
  • (FLT:0) לחנך GPIO דליפות GPFLT:1: תצורת GPIOs ללא שימוש כמו קלט עם משיכת או פלטים נמוך כדי למנוע פינים צפים מצייר זרם נוסף.

אופטימיזציה של מערכת

  • (FLT:0) חיישנים של מחקר כוח ורכיבים חיצוניים: השתמש במזהFET או ב- GPIO תחת שליטה על כוח כדי לחתוך את הכוח לחיישנים כאשר הם אינם בשימוש.
  • (FLT:0) השתמש במרגולטור יעיל של מתחים (FLT:1): רגולטורים נמוכים עשויים להיות בעלי טווח גבוה; ממיר עשוי להיות נחוץ עבור סוללות גדולות יותר.
  • (FLT:0) ↑sider BLE 5.1+ כיוון מציאת ההרחבה: אם באמצעות AoA/AoD, להיות מודע לכך ששינוי האנטנה מוסיף כוח.

דוגמה אמיתית לעולם: Tracker

עוקב כושר טיפוסי מתחבר לסמארטפון כל כמה דקות כדי לסנכרן ספירת צעד.המכשיר מפרסם 30 שניות בשעה 20 מ' המרווחים כאשר האפליקציה פתוחה, ואז טיפות לרווח פרסום של שנייה אחת לאחר המחוברת, הוא משתמש מרווח חיבור 30 מ' (למזל נמוך) ללא עצלות של 2A במהלך סינכרון.

כיוונים עתידיים

Bluetooth LE ממשיכה להתפתח לעבר כוח נמוך יותר.עם:0 Bluetooth LE AudioFiger 1LT, הפרוטוקול מציג LC3 Codec וייעל סינכרון, אבל צריכת רדיו הליבה נותרת דומה.התת Bluetooth 6.0 מבטיחות ספציפיות ערוץ קולינג ותכונות אחרות שעשויות להשפיע על תקציב כוח.

מסקנה

מתן חיי סוללה ארוכים עם Bluetooth LE הוא תרגיל בהנדסה מסחר זהירה.על ידי הבנת פרופילי הכוח של פרסום, חיבור ו מצבי שינה - ועל ידי התאמה שיטתית פרמטרים כמו מרווח, עצלות, ודר כוח - מפתחים יכולים לדחוף ממוצע לתוך טווח המיקרו-אמפ. התוצאה היא מכשיר שיכול לפעול במשך שנים על מטבע, פתח יישומים שהיו בעבר לא מעשי עם קישוריות אלחוטית של מוצרים אלה רק עם פונקציות תחזוקה נפרדות של פונקציות אלה.