Bei der Auswahl des richtigen IoT-Sensors für seine Anlage, spielt die Batterielaufzeit eine wichtige Rolle.

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Leistungselektronik in Embedded-Systemen Wie verbessere ich die Batterielaufzeit von industrieller Sensorik?

05.10.2022

Als Verbraucher prüfen wir beim Kauf eines batteriebetriebenen Geräts in der Regel zuerst, wie lange es mit einer einzigen Batterieladung durchhält. Die Batterielaufzeit ist bei vielen tragbaren Geräten mittlerweile ein wichtiges Kaufkriterium, aber auch für die stark wachsende Zahl industrieller IoT-Sensoren und anderer ähnlicher Anwendungen ist sie ein wichtiger Faktor.

Eine längere Batterielaufzeit lässt sich nicht einfach durch eine größere Batterie erreichen, denn physische Größen und Abmessungen setzen praktische und auch optische (Design-) Grenzen. Entwickler von Embedded-Systemen müssen sich daher eingehend mit dem Stromverbrauchsprofil ihrer Anwendung befassen, um sowohl den Strombedarf in Echtzeit als auch die Faktoren, die den Stromverbrauch beeinflussen, vollständig zu verstehen. Dieser Beitrag befasst sich mit der Ermittlung des Stromverbrauchsprofils eines IIoT-Sensors und den praktischen Schritten, die Entwickler unternehmen können, um den Stromverbrauch zu senken.

Unsere batteriebetriebene Welt

Das gelegentliche Auswechseln der Batterie eines drahtlos verbundenen Thermostats oder Sicherheitssensors, der in unserem Haus verwendet wird, mag für uns eine kleine Unannehmlichkeit sein. Es dauert nur ein paar Minuten und kostet nur wenig. In den meisten Fällen informiert uns das Gerät über eine Smartphone-App, dass die Batterie ausgetauscht werden muss. Bei einem Rauchmelder zum Beispiel ist eine Benachrichtigung besonders wichtig, um die Funktion des Sensors immer zu gewährleisten.

Doch die Sache sieht anders aus, wenn wir an die Aufgabe denken, den Batteriewechsel von Hunderten von Industriesensoren zu verwalten, die sich an mehreren entfernten Standorten befinden. Der Batteriewechsel selbst mag zwar nur ein paar Minuten dauern, aber die Fahrt zu jedem Standort, das Auffinden der einzelnen Sensoren und die Fahrt zum nächsten Sensor kann zu einer teuren Vollzeitaufgabe werden. Dieses so genannte „Truck Roll“ ist zu einem versteckten und kostspieligen Aspekt jeder IIoT-Einführung geworden.

Damit die Auswirkungen von häufigen Batteriewechseln gemildert werden können, müssen die Hersteller von batteriebetriebenen Geräten wissen, wie ihr Produkt während des Betriebs Strom verbraucht. Anhand dieser Informationen lässt sich die voraussichtliche Batterielaufzeit berechnen. Dieser Ansatz ist auch ein wichtiger erster Schritt, um die Batterie durch eine alternative Energiequelle, wie etwa durch eine Solarzelle, zu ersetzen.

Ein Beispiel ist der Einsatz von Energy-Harvesting-Technologien, bei denen Energie in einem Superkondensator gespeichert wird. Als potentielle Energiequellen kommen Vibrationen, Sonnenenergie und Wärme in Frage. Eine eingehende Untersuchung des Stromverbrauchsprofils und des Arbeitszyklus des Geräts zeigt, ob genügend Energie gewonnen und gespeichert werden kann, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten.

Batteriebetriebener Sensor

In der Abbildung ist der funktionale Aufbau eines drahtlos vernetzten, batteriebetriebenen Temperatur- und Feuchtigkeitssensors zu sehen. Dieser Aufbau ist typisch für viele IoT/IIoT-Geräte, die zur Messung und Meldung verschiedener Umweltparameter verwendet werden. Beim Sensorbetrieb führt der Mikrocontroller (MCU) die folgenden Schritte durch:

  • Aufwachen aus dem Sleep-Modus

  • Abfragen der Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte von den Sensorelementen

  • Paketieren der Sensordaten in ein Nachrichtenprotokollformat

  • Herstellen einer Verbindung zu einem Wireless Access Point durch den drahtlosen Transceiver

  • Übertragen der Daten an das Hostsystem versetzen des gesamten Geräts in den Sleep-Modus

Die Stromregelung und Umwandlung der Batteriespannung erfolgt über einen Power Management IC (PMIC); weitere Schaltkreise sorgen für die Messung von Spannung und Strom. Diese Daten können mit den Sensordaten an die Host-Anwendung weitergegeben werden.

Hochintegrierte drahtlose System-on-Chip (SoC)-Mikrocontroller verfügen über sehr viele Funktionen. Ein Beispiel ist das zellulare System-in-Package (SiP) nRF9160 von Nordic Semiconductor. Zur Fertigstellung eines Designs sind nur die Sensoren und die zugehörigen Komponenten für die Signalkonditionierung erforderlich. Auf dem Datenblatt des Bauelements sind die einzelnen Stromverbrauchsparameter des Mikrocontrollers und des drahtlosen Transceivers in den verschiedenen Sleep-Modi angegeben.

Der drahtlose Transceiver wird unabhängig gesteuert und bietet so die Möglichkeit zur Verwaltung seines Verbrauchsprofils. So kann die integrierte Firmware etwa sicherstellen, dass der drahtlose Transceiver nur bei Bedarf aktiviert wird. Einige der Peripheriegeräte des Microcontrollers können während dieses Vorgangs in den energiearmen sogenannten Sleep-Modus versetzt werden und dadurch das Gesamtverbrauchsprofil deutlich senken.

Messung des Stromverbrauchs

Für die Abschätzung der Batterielaufzeit eines Sensors muss der laufende Stromverbrauch eines Geräts sorgfältig analysiert werden. Wenn ein Durchschnittsverbrauch ermittelt wurde, kann das Entwicklungsteam einige Maßnahmen testen, um die theoretisch vorhergesagte Batterielaufzeit zu verbessern. Hierzu können folgende Maßnahmen gehören:

  • MCU und drahtlosen Transceiver sorgfältig aufeinander abstimmen.

  • Abschaltung von Peripheriegeräten, wenn sie nicht benötigt werden.

  • Änderung des vorgegebenen Arbeitszyklus des Geräts.

  • Testen verschiedener Sleep-Modi.

  • Drosselung des MCU-Takts, wenn keine Daten verarbeitet werden.

Eine präzise Messung des Stroms mit einem so hohen dynamischen Bereich ist jedoch komplex und übersteigt häufig die Möglichkeiten eines typischen Digital-Multimeters (DMM).

Der fließende Strom wird normalerweise mit dem Ohm'schen Gesetz berechnet, wobei der Spannungsabfall über einen Querwiderstand (Shunt) gemessen wird. Der Spannungsabfall über dem Querwiderstand – die so genannte Bürdenspannung – reduziert die von der Last gelieferte Spannung. Für erkennbare, genaue Strommessungen im niedrigen µA-Bereich muss die Bürdenspannung ausreichend hoch sein, damit das DMM sie messen kann, ohne die Versorgung so weit zu reduzieren, dass sie ein fehlerhaftes Verhalten des zu prüfenden Geräts verursacht. Hinzu kommt, dass der Prüfling dynamisch arbeitet und sofort von niedrigen µA- zu mA-Werten wechselt. Bei typischen SoC-Versorgungsschienen von 1,8 V oder 3,3 V würde die Änderung der Bürdenspannung zu Brownout-Resets des zu prüfenden Geräts während des Betriebs führen.

Für diese speziellen Anforderungen gibt es einige Präzisionsmessgeräte. Diese teuren Geräte verwenden jedoch Relaisschaltungen, um die Werte des Querwiderstands während des Betriebs zu ändern, aber der damit verbundene Zeitaufwand führt selbst bei Halbleiterschaltungen zu einer Verschlechterung der Messdetails und der Genauigkeit.

Um das Problem der Messungen im hochdynamischen Strombereich zu lösen, haben die Hersteller Power-Profiling-Tools entwickelt, die den Verbrauch in Echtzeit genau messen und aufzeichnen. Beispiele hierfür sind das Power Profiler Kit 2 (PPK) von Nordic Semiconductors und das Otti Arcvon Qoitech.

Power Profiler 2

Das USB-Powered Power Profiler Kit 2 (PPK) von Nordic Semiconductor mit USB-Stromversorgung bietet einen Messbereich von 200 nA bis 1 A mit einer bereichsabhängigen Auflösung zwischen 100 nA und 1 mA. Es kann in einem Source-Modus arbeiten, bei dem es die Spannung des zu prüfenden Geräts liefert, oder in einem Amperemeter-Modus, bei dem es ausschließlich den Strom misst. Das PPK bietet einen per Software konfigurierbaren Ausgang von 0,8 VDC bis 5 V mit maximal 1 A. Die Fähigkeit zur Strommessung in Echtzeit beträgt 100 kS/s. Das Gerät schaltet automatisch zwischen fünf Strommessbereichen um und gewährleistet dadurch eine optimale Auflösung.

Die PC-basierte Power-Profiler-App stellt eine Verbindung zum PPK her und bietet die Schnittstelle zur Konfiguration des PPK und zur Aufzeichnung von Messdaten. Das PPK2 bietet zudem eine Reihe digitaler GPIO-Pins für den Anschluss an das zu prüfende Gerät, um bestimmte Funktionen zu steuern, oder an einen Logik-Analysator, um die Strommessungen mit dem Anwendungsprogramm des zu prüfenden Geräts zu synchronisieren.

Qoitech Otti

Das Otti Arc von Qoitech ist ein kompakter, tragbarer und vielseitiger Stromanalysator, der mit einer Auflösung von über 50 nA in acht Stufen messen kann, von einigen zehn Nanoampere bis 5 A. Das Otti Arc kann als Konstantspannungs- oder Stromquelle und als Stromsenke konfiguriert werden. Mit der Stromsenke lassen sich verschiedene Batterien und Anwendungsszenarien bis maximal 2,5 A emulieren und profilieren. Die Abtastrate des Arc beträgt 4 kS/s. Das Gerät kann über den USB-Anschluss des Host-Computers oder über eine externe Stromversorgung betrieben werden.

Die Otti Arc-Software enthält alle Funktionen, um den Betrieb der Strommessquelle und -senke zu konfigurieren und den Stromverbrauch des zu prüfenden Geräts aufzuzeichnen. An der Vorderseite befinden sich GPIO-Pins, mit denen logische Zustände verfolgt und der Betrieb des zu prüfenden Geräts zu Analysezwecken gesteuert werden kann.

Power Profiling für Ihr Design

Wenn Sie die Batterielaufzeit maximieren möchten, müssen Sie das Stromverbrauchsprofil Ihres Geräts genau kennen. Der durchschnittliche Stromverbrauch hilft bei der Abschätzung der Batterielaufzeit, aber Spitzenwerte können den Durchschnitt während des normalen Betriebs stark beeinflussen. Bevor Sie mit der Optimierung der Firmware des Geräts beginnen können, müssen Sie ein Stromverbrauchsprofil über den gesamten Betriebszyklus des Geräts erstellen.

Die beiden vorgestellten Messsysteme sind in der Lage, extrem niedrige Stromwerte mit einem hohen dynamischen Bereich zu messen. Sie sind in der Lage, die gemessenen Daten aufzuzeichnen und auf einer mit der Firmware des Geräts synchronisierten Zeitachse darzustellen. Anhand dieser Informationen können Embedded- und Hardware-Entwickler damit beginnen, den Programmcode zu untersuchen, um Möglichkeiten zur Senkung von Stromspitzen zu ermitteln.

Bildergalerie

  • Der vereinfachte Funktionsaufbau eines typischen IoT/IIoT-Sensors

    Bild: Mouser

  • Das hochintegrierte zellulare drahtlose Transceiver-Mikrocontroller-SiP nRF9160

    Bild: Mouser

  • Stromverbrauch des Mikrocontrollers nRF9160 in verschiedenen Sleep-Modi

    Bild: Mouser

  • Die Abbildung zeigt eine beispielhafte Bildschirmaufzeichnung für eine Echtzeitmessung. Durch die Verringerung der Abtastauflösung von 100 kS/s auf 1 S/s kann die maximale Aufzeichnungsdauer von 7 Minuten auf 500 Tage verlängert werden.

    Bild: Mouser

  • Der Power Profiler 2 im Detail

    Bild: Mouser

  • Das Präzisions-Niederstrommessgerät Otti Arc von Qoitech

    Bild: Qoitech

  • Die Otti Arc Desktop-Software ist für Ubuntu Linux, Microsoft Windows und Apple macOS erhältlich.

    Bild: Qoitech

  • Mark Patrick, Mouser Electronics

    Bild: Mouser

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