Batterilevetid i sensorer
Det er ikke batteriet, der afgør sensorens batterilevetid
En batteridrevet sensor kan tilbringe mere end 99 procent af tiden i dvale. Alligevel er det ikke nødvendigvis dvalestrømmen, der afgør, om batteriet holder i to eller ti år.
Hver gang sensoren vågner, begynder en kæde af små energiforbrug. Mikrocontrollerens clock skal starte. Sensoren skal stabilisere sig. En måling skal foretages og behandles. Måske skal radioen etablere forbindelse, sende data og vente på en kvittering. Hvis forbindelsen fejler, begynder en del af forløbet forfra.
Det er summen af disse tilstande – og hvor ofte de gentages – der bestemmer batterilevetiden. Derfor giver det sjældent mening at optimere én komponent isoleret. Man er nødt til at følge hele arbejdscyklussen.
1. Dvale: Se på hele printets hvilestrøm
I dvale kan mikrocontrollerens strømforbrug være nede i få mikroampere eller endnu lavere. Det ser overbevisende ud i databladet, men tallet beskriver ikke hele produktet.
En spændingsregulator har sin egen hvilestrøm. Sensorer, pull-up-modstande, spændingsdelere, ekstern hukommelse og overvågningskredsløb kan stadig være aktive. GPIO-ben kan stå i en uhensigtsmæssig tilstand, og lækstrømme kan vokse med temperatur eller fugt. Selv en statusdiode, der kun blinker kort, kan få betydning i et system, som ellers bruger meget lidt energi.
Derfor bør dvalestrømmen måles på det samlede print – ikke blot aflæses i databladet for mikrocontrolleren.
2. Opvågning og måling: Ventetid er også aktiv tid
Når sensoren vågner, er det fristende at fokusere på selve målingen. Men en måling på få millisekunder kan kræve en langt længere opstart.
En oscillator skal blive stabil. En analog front-end skal falde til ro. Nogle sensorer skal varmes op, kalibreres eller kassere de første måleværdier. Hvis firmwaren starter hele systemet på én gang og derefter venter, bliver ventetiden til aktiv tid med et forholdsvis højt strømforbrug.
Her kan sekvenseringen være lige så vigtig som komponentvalget. Mikrocontrolleren kan eksempelvis starte sensoren, gå tilbage i en lavenergitilstand under stabiliseringen og først vågne igen, når målingen kan foretages. Det kræver mere omtanke i firmwaren, men kan være billigere end at lede efter en sensor med et marginalt lavere strømforbrug.
3. Databehandling: Beregn lokalt eller send rådata?
Efter målingen opstår næste afvejning: Skal rådata sendes, eller skal sensoren først beslutte, hvad der er relevant?
Lokal filtrering, komprimering eller tærskeldetektion bruger processortid. Til gengæld kan det reducere antallet og størrelsen af transmissioner. I mange trådløse systemer er en kort beregning billigere end at tænde radioen og sende flere datapakker.
Men regnestykket afhænger af anvendelsen. En vibrationssensor kan spare meget energi ved kun at sende karakteristiske værdier eller afvigelser. I andre systemer er rådata nødvendige for senere analyse. Man kan altså ikke optimere energiforbruget uden samtidig at beslutte, hvilke data produktet faktisk skal levere.
4. Transmission: Radioen bruger energi på mere end nyttedata
Det er heller ikke nok at se på radiosenderens strømforbrug under selve transmissionen. Enheden kan først skulle finde et netværk, synkronisere, etablere forbindelse og vente på et ledigt sendetidspunkt. Protokolhoveder, kvitteringer og modtagevinduer koster også energi.
Ved god dækning kan forløbet være kort. Ved svagt signal kan højere sendeeffekt og gentagne forsøg gøre den samme datapakke langt dyrere. Den energimæssigt vigtigste parameter kan derfor være placeringen af antennen eller strategien for genforsøg – ikke radioens nominelle strømforbrug.
Kravet om hurtig respons spiller også ind. En sensor, der skal kunne reagere straks, må vågne ofte eller holde dele af systemet aktive. Hvis en forsinkelse på nogle minutter er acceptabel, kan den samle måle- og sendefrekvens måske sænkes markant.
5. Tilbage i dvale: Sluk det, der ikke skal bruges
Cyklussen er først afsluttet, når de aktive dele af systemet faktisk er slukket. En sensor eller spændingsdeler, der bliver stående tændt efter transmissionen, kan påvirke det samlede energibudget mere end en kort strømspids under målingen.
Firmwaren skal derfor ikke bare sætte mikrocontrolleren i dvale. Den skal også lukke periferi ned, gemme den nødvendige tilstand og sikre, at systemet kan vågne igen uden en dyr fuld genstart. Derefter begynder cyklussen forfra.
Fra arbejdscyklus til batterilevetid
Når alle fem trin er kortlagt, kan man sætte tal på cyklussen. Den gennemsnitlige strøm findes ved at vægte strømmen i hver tilstand med den tid, sensoren opholder sig i den. Først da kan batteriets kapacitet omsættes til et estimat for levetiden.
Forenklet regneeksempel
Forestil dig en sensor, der måler og sender hvert 15. minut. I én cyklus bruger den:
- 8 µA i dvale i 899,2 sekunder
- 4 mA under opvågning og måling i 0,5 sekund
- 8 mA til behandling i 0,1 sekund
- 35 mA til transmission i 0,2 sekund
Den gennemsnitlige strøm findes ved at gange strømmen i hver tilstand med varigheden, lægge resultaterne sammen og dividere med cyklussens 900 sekunder:
Gennemsnitsstrøm = 18,88 µA ≈ 19 µA
Med et batteri på 1.200 mAh bliver det enkle estimat:
Batterilevetid = 1.200 mAh / 0,019 mA ≈ 63.000 timer ≈ 7,2 år
OBS: Beregningen er et idealiseret overslag – ikke en prognose. Den forudsætter blandt andet, at hele batteriets nominelle kapacitet kan udnyttes, og at arbejdscyklussen ikke ændrer sig.
Et batteri kan have energi tilbage og stadig svigte
I praksis reduceres den brugbare kapacitet af selvafladning, temperatur, aldring og belastningsprofil. Også strømforsyningens virkningsgrad og systemets mindste tilladte spænding har betydning.
Korte strømspidser er særligt vigtige. Når radioen sender, kan batteriets indre modstand få spændingen til at falde. Falder den under systemets grænse, kan sensoren resette eller lukke ned, selv om batteriet stadig indeholder energi. Problemet bliver typisk større ved lav temperatur og i et ældre batteri.
En kondensator kan i nogle tilfælde levere en del af strømspidsen, men den løser ikke automatisk problemet. Batteri, strømforsyning, afkobling og belastningsprofil skal vurderes som ét system.
Mål det system, der skal ud i virkeligheden
Et almindeligt multimeter kan vise en stabil gennemsnitsværdi, men overse både korte strømspidser og skift mellem mikroampere og milliampere. Omvendt fortæller en oscilloskopmåling af én transmission ikke meget om måneder i dvale.
Den brugbare måling skal derfor dække begge dele: høj tidsopløsning under de aktive hændelser og integration af strømmen over flere realistiske cyklusser. Test også ved dårlig forbindelse, lav batterispænding og de temperaturer, produktet skal fungere i. Ellers måler man den pæne laboratoriecyklus – ikke den cyklus, der bestemmer levetiden i felten.
Så selvom batteriet sætter de ydre rammer, er det elektronikken, firmwaren, kommunikationen og produktkravene, der afgør, hvor hurtigt energien bliver brugt. Lang batterilevetid er derfor ikke en komponentegenskab, men snarere et resultat af hele systemets arbejdscyklus.
Læs mere:
Kontakt
Få hjælp nu
Find relevante, kvalitetssikrede kurser og efteruddannelse.