Gestire la potenza nei dispositivi compatti

In tutti i mercati e i comparti industriali è sempre più avvertita la necessità di poter disporre di dispositivi alimentati a batteria caratterizzati da un’elevata efficienza energetica e capaci di assicurare un lunga vita operativa. A seguito dell’avvento di Internet of Things i progettisti di sistemi embedded hanno concentrato attenzioni e risorse sulla gestione della potenza di dispositivi di dimensioni e costi ridotti. Ciò è vero soprattutto nel caso di dispositivi alimentati a batteria che richiedono la connessione in modalità wireless sia con reti semplici (come quelle di tipo punto-punto) sia con reti più complesse (come le reti in configurazione a stella o a maglia). Sono numerosi i dispositivi che rientrano in questa categoria. Se pensi ad esempio a un nodo sensore wireless, un dispositivo relativamente semplice dal punto di vista funzionale che deve espletare le proprie mansioni per un lungo periodo di tempo con un’alimentazione mediante batteria. Per realizzare un prodotto adatto all’uso in un’applicazione di questo tipo lo sviluppatore deve tenere conto di molti aspetti del progetto complessivo. Le considerazioni da fare in fase di progetto non riguardano solamente il microcontrollore e il suo livello di efficienza energetica, ma coinvolgono anche altri elementi del sistema, come ad esempio l’interfaccia wireless, la gestione della potenza a livello di sistema, il sensore stesso e le funzionalità analogiche richieste per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati del sensore. In Fig. 1 sono riportati gli elementi chiave di un nodo sensore wireless. in primo luogo si procederà all’analisi della Mcu che rappresenta il nucleo centrale del progetto.

L’efficienza energetica del microcontrollore

Nel caso di un nodo sensore wireless alimentato a batteria, l’efficienza energetica della Mcu deve essere molto elevata. Il protocollo Rf e i requisiti in termini di manipolazione dei dati (necessari ad esempio per il condizionamento e l’elaborazione digitale dei segnali) determineranno verosimilmente la scelta della Mcu (a 8 o 32 bit) anche se molte esigenze relative alla riduzione dei consumi di energia risulteranno indipendenti dalla scelta della Mcu. La possibilità, ad esempio, di passare da modalità a bassissimo consumo alla completa operatività in tempi estremamente brevi (ad esempio nel giro di 2 µs) contribuirà in maniera sensibile alla conservazione dell’energia. Più breve sarà il tempo di wake-up della Mcu, migliori saranno i risultati in termini di risparmio energetico. Durante il passaggio tra le varie modalità di consumo, la Mcu non svolge alcun lavoro utile. Due altri parametri che avranno un impatto significativo sui consumi a livello di sistema sono il consumo di energia in modalità low-power (che dovrebbe essere <1 µA) e i consumi nelle modalità attive (in questo caso essi dipendono dal core della Mcu utilizzato e dalla geometria di processo con la quale è stata realizzata la Mcu e dovrebbe essere pari all’incirca a 150 µA/MHz o inferiori). Anche se vi sono altri fattori che influenzano l’efficienza energetica, questi tre fattori – requisiti di elaborazione, consumi nelle modalità a bassa dissipazione e attive - coinvolgono considerazioni di natura architetturale e costituiranno una valida guida per la scelta della Mcu più adatta per la particolare applicazione considerata. I progettisti di sistemi devono anche tenere nella dovuta considerazione il lavoro che può effettivamente svolgere la Mcu senza sfruttare il core della Cpu. Per esempio è possibile ottenere sensibili risparmi in termini di potenza con la gestione autonoma delle interfacce per sensori. La possibilità di generare il segnale di stimolo (o l’alimentazione) per il sensore da parte dell’Mcu e di leggere e interpretare i risultati senza per questo svegliare la Cpu fino al momento in cui si ottengono dati “utili” darà un importante contributo all’ottimizzazione della durata della batteria del sistema. Le architetture di alcune Mcu sono state progettate in modo da consentire un’interazione autonoma da parte dei sensori. Ad esempio, come riportato in Fig. 2, l’architettura della Mcu EFM32 di Silicon Labs abbina un’interfaccia per sensori autonoma a basso consumo (una periferica denominata Lesense) con alcuni comparatori per acquisire i dati provenienti da un sensore esterno e svegliare la Cpu solo quando si dispongono di dati validi o utili: tutto ciò richiede un budget di potenza di soli 1,5 µA.

La connettività wireless

Mentre vi sono altri aspetti che riguardano il risparmio energetico di una Mcu da tenere in considerazione nel caso di dispositivi di dimensioni e costi ridotti, nell’esempio del nodo sensore wireless vi sono molti altri fattori da analizzare. Per quanto concerne l’elemento che fornisce la connettività wireless, sono parecchie le opzioni a disposizione. Sia la topologia di rete sia il tipo di protocollo avranno una notevole influenza sul budget di potenza richiesto per mantenere il collegamento wireless. In alcuni casi un semplice collegamento punto-punto che utilizza un protocollo proprietario sub-GHz può sembrare una scelta adeguata in quanto verosimilmente, assorbirà dalla batteria il minor quantitativo di potenza. Questa configurazione così semplice, in ogni caso, pone limiti abbastanza severi in termini di ubicazione e modalità di installazione del sensore. Una configurazione a stella realizzata con tecnologie a 2,4 GHz o sub-GHz, contribuisce ad aumentare la flessibilità per quel che concerne l’installazione del sensore, permettendo la distribuzione di più sensori su una stessa rete. In questo caso è prevedibile un incremento della complessità del protocollo utilizzato per la trasmissione dei dati, con conseguente aumento della quantità di traffico Rf e quindi della potenza assorbita dalla batteria. La terza opzione da considerare prevede l’utilizzo di una configurazione a maglia basata su un protocollo come ad esempio ZigBee. Una configurazione di questo tipo richiede il più elevato assorbimento di potenza dalla batteria del nodo sensore, anche se assicura il più alto grado di flessibilità in fase di installazione e prevede anche il supporto del trasferimento dei dati da nodo a nodo. A secondo del tipo di stack wireless (come ad esempio ZigBee), una rete di tipo mesh è anche in grado di garantire l’opzione di installazione più affidabile grazie alla possibilità di implementare una rete di tipo self-healing (ovvero nel caso di malfunzionamento del nodo di una rete, i messaggi inviati possono ricercare un altro percorso per raggiungere la loro destinazione). Strettamente correlata alla scelta della configurazione di rete è la quantità di dati che deve essere trasferita da nodo a nodo a da un nodo al collettore. In un nodo sensore, la quantità di dati che deve essere inviata lungo il collegamento wireless deve essere relativamente piccola (in particolar modo nei casi in cui alcuni dati sono elaborati dalla Mcu del nodo e non vengono trasmesse tutte le informazioni acquisite, ma solo quelle pertinenti). In situazioni di questo tipo, ZigBee si propone come una soluzione ideale per il collegamento in rete di tipo mesh; Bluetooth Smart è sicuramente una scelta eccellente per configurazioni punto-punto basate su standard e per le quali i consumi rappresentano un elemento critico, mentre soluzioni sub-GHz di tipo proprietario assicurano la massima flessibilità in termini di dimensione della rete, ampiezza di banda e di carico utile di dati in configurazioni punto-punto e a stella

LoRa e SigFox

È anche utile prendere in considerazione piattaforme e tecnologie caratterizzate da un range più esteso come ad esempio LoRa e SigFox che consentono l’implementazione di reti caratterizzate da un elevato numero di nodi con connessioni che possono raggiungere distanze dell’ordine di decine di chilometri pur garantendo consumi contenuti. Utilizzando tecnologie wireless di questo tipo è possibile installare nodi sensori compatti ed economici su aree di vaste dimensioni. Un ulteriore aspetto da tenere in considerazione per quel che riguarda il collegamento wireless è il metodo di cifratura utilizzato per la protezione dei dati trasmessi. La modalità di gestione del processo di cifratura può avere un notevole impatto sui dispositivi di dimensioni e costi contenuti. Nel caso di ZigBee, ad esempio, la cifratura è integrata nello stack ma nel caso in cui la Mcu (o il core del processore) utilizzato per far girare lo stack non disponga dell’hardware adatto per la cifratura, deve “sprecare” parecchi cicli per far girare l’algoritmo via software. Per fare un esempio pratico, la gestione di un algoritmo di cifratura Aes a 128 bit su un processore Arm CortexM0+ con un acceleratore hardware Aes richiede 54 cicli, mentre la gestione del medesimo algoritmo senza l’accelerazione hardware richiede oltre 4.000 cicli, un numero circa 80 volte superiore rispetto a quello necessario per un Mcu che può avvalersi del supporto della cifratura hardware. Ciò ha un impatto notevole sul consumo di potenza complessivo del nodo sensore quando esso invia o riceve dati su un collegamento wireless. Nel mercato IoT, la richiesta di sicurezza per i collegamenti wireless è in continuo aumento. Nel momento in cui i requisiti in termini di cifratura imposti per le reti wireless diventano più complessi, l’aspetto legato alla sicurezza assumerà una rilevanza critica nella gestione della potenza dei dispositivi di dimensioni e costi ridotti e avrà un impatto significativo sulle scelte hardware degli sviluppatori. Relativamente ai sensori utilizzati per il nodo preso in considerazione in questo articolo, è possibile scegliere tra diverse tipologie di sensori, dai sensori ottici a quelli ambientali per finire a quelli di movimento. In ultima analisi la scelta dei sensori è determinata dal parametro che si desidera misurare. In questo caso si è deciso di misurare i livelli di luce ambientale. Esistono parecchie opzioni per la misura della luce ambiente, a partire dai componenti di rilevamento di tipo discreto che potrebbero essere progettati in modo da garantire consumi estremamente contenuti. Un approccio di questo tipo risulta oneroso per la Mcu in termini di acquisizione dei segnali e di elaborazione. Di conseguenza la Mcu sarà in modalità attiva per periodi di tempo più lunghi, un maggior numero di periferiche – come ad esempio i convertitori A/D - rimarranno in funzione e il consumo di potenza complessivo del sistema sarà destinato inevitabilmente ad aumentare. Un approccio alternativo prevede l’uso di un sensore di luce ambientale caratterizzato da un certo livello di intelligenza. L’integrazione della funzione di condizionamento del segnale all’interno del sensore comporta alcuni notevoli vantaggi. I dati inviati alla Mcu saranno dati utili che possono essere interpretati in modo semplice e in tempi brevi dall’applicazione, per cui la Mcu potà restare nello stato inattivo il più a lungo possibile. Il condizionamento preventivo dei dati inviati su un’interfaccia digitale come ad esempio Spi o I2C permette alla Mcu di acquisire i dati in maniera più efficiente rispetto al caso in cui si faccia ricorso al convertitore A/D integrato. Anche se nell’esempio si è preso in considerazione il rilevamento della luce ambientale, vi sono molti altri sensori che adottano un approccio simile, ovvero integrano un certo grado di “intelligenza” e rendono disponibili alla Mcu host dati che sono immediatamente fruibili, con l’obiettivo dichiarato di ridurre il consumo di potenza del sistema complessivo.

L’alimentazione del sistema

Un’ultima considerazione da fare nel caso di applicazioni che coinvolgono dispositivi compatti e di costo contenuto riguarda l’alimentazione del sistema stesso. In funzione del tipo di batteria utilizzato, spesso è necessario ricorrere a convertitori boost o regolatori boost-switching se l’applicazione richiede valori di corrente o tensioni maggiori rispetto a quelli che la batteria stessa è in grado di fornire. Ad esempio se è disponibile una sola cella da 1,5 V ed è necessario generare una tensione di 3,3 V per la Mcu, sarà necessario tenere in considerazione questo aspetto nell’analisi della gestione della potenza del sistema complessivo. Anche in questo caso una scelta oculata potrà avere un notevole impatto sul consumo di potenza totale. Sul mercato è reperibile un’ampia gamma di convertitori boost con consumi dell’ordine di 5-7 µA, ma questi consumi si traducono in un onere notevole quando un sistema opera per la maggior parte del tempo in modalità sleep. Quindi è più opportuno optare per convertitori boost caratterizzati da consumi di 1 µA e che sono comunque in grado di assicurare un’elevata efficienza in fase di boost. Nel caso di sistemi più complessi può essere utile considerare l’opportunità di ricorrere a un circuito integrato per la gestione della potenza per garantire un controllo più preciso dell’intero sistema. Da una singola sorgente di alimentazione è possibile generare più terminali (rail, in pratica valori) di tensione per il pilotaggio dei diversi elementi che compongono un sistema embedded, regolando in maniera opportuna ciascun terminale in modo da fornire con precisione la potenza richiesta dalla particolare applicazione considerata senza nessuno spreco di energia. Per esempio è possibile dedicare un’alimentazione alla radio presente nel sistema che è separata da quella della Mcu: in questo caso la radio può essere completamente spenta quando non è utilizzata (se il protocollo supporti una funzionalità di questo tipo). Oppure, nel caso in cui si utilizzi una Mcu che permette di alimentare separatamente gli I/O e il core, è possibile ottimizzare l’efficienza energetica della Mcu con un Pmic, prevedendo anche un terminale di tensione separato nei sensori usati un questa particolare applicazione. Un Pmic avanzato può anche integrare funzioni aggiuntive per il controllo generale del sistema, come ad esempio un watchdog timer e funzionalità di ripristino. Un Pmic non è un componente adatto per tutte le applicazioni, in parte anche a causa del costo aggiuntivo che è necessario sostenere, ma nelle applicazioni dove questo costo non rappresenta una penalizzazione, si propone come un’eccellente soluzione per la gestione della potenza del sistema complessivo laddove sono presenti dispositivi di dimensioni e costi ridotti.

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