أصبح استخدام المدن الذكية وتقنيات الأتمتة شائعًا بشكل متزايد في مختلف الصناعات مثل التصنيع والرعاية الصحية والمؤسسات والتكنولوجيا اللاسلكية وتجارة التجزئة. أحد الجوانب المهمة لهذا النظام البيئي هو استخدام أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة ، والتي تكون قادرة على جمع البيانات من أجهزة الاستشعار ومعالجتها بسرعة من أجل تحسين أداء ودقة تطبيقات المهام الحرجة التي تتطلب الحد الأدنى من زمن الوصول. ومع ذلك ، لضمان طول عمر هذه الأجهزة ، من المهم للمصنعين والعملاء أن يتنبأوا بدقة بعمر البطارية من خلال فهم استهلاك الطاقة لكل مكون من مكونات النظام العام ، مثل راديو RF ، وشاشة العرض ، والصافرة ، وهزاز. يعد قياس عمر البطارية وتحسين عمر البطارية أحد الاعتبارات الرئيسية في التصميم لأي تطبيق إنترنت الأشياء.
تهدف هذه المقالة إلى تقديم نظرة ثاقبة على أهمية البطارية باعتبارها جانبًا حاسمًا في أي جهاز إنترنت الأشياء مخصص للنشر على نطاق واسع واستكشاف اعتبارات التصميم المختلفة والحلول المحتملة لتحسين عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، ستقدم طريقة جديدة لتحليل استنزاف البطارية لقياس استهلاك الطاقة الإجمالي لجهاز إنترنت الأشياء بدقة باستخدام حل تحسين عمر بطارية الجهاز X8712A IoT من Keysight.
البطارية هي قلب أي جهاز إنترنت الأشياء
يعد عمر بطارية جهاز إنترنت الأشياء جانبًا مهمًا في النظام ، حيث إنه يحدد أداء الجهاز وكفاءته. غالبًا ما يتم تثبيت أجهزة إنترنت الأشياء في أماكن بعيدة أو يصعب الوصول إليها ، حيث قد يكون استبدال البطاريات أو إعادة شحنها أمرًا صعبًا. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للتطبيقات ذات المهام الحرجة ، يعد عمر البطارية الأطول ضروريًا لمنع فشل الجهاز وعواقبه.
إن معرفة حالة البطارية وأدائها أمر بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل في هذه السيناريوهات. ومع ذلك ، يعتمد العديد من مستخدمي المؤسسات على معلمات عمر البطارية التي توفرها الشركة المصنعة ، والتي قد لا تكون دقيقة لحالات استخدام حافة معينة. يمكن أن يوفر تحليل استنزاف الطاقة الداخلي فهمًا أفضل لعمر المنتج وتكرار استبدال البطارية.
يتوقع العملاء حاليًا أن تتمتع أجهزة إنترنت الأشياء بعمر بطارية طويل لا يقل عن 10 سنوات. يعد هذا تغييرًا كبيرًا عن الماضي عندما كانت الأجهزة بحاجة إلى الاستمرار لبضع سنوات فقط. لتلبية هذه التوقعات ، يقوم المصنعون بإجراء تغييرات على أجهزتهم من خلال تحسينات الأجهزة والبرامج. تتضمن هذه التغييرات استخدام الدوائر المتكاملة مع أوضاع السكون العميق التي تستهلك طاقة أقل وأنماط تشغيل مختلفة مثل سرعات الساعة البطيئة ، ومجموعات التعليمات المنخفضة ، والجهد المنخفض للبطارية ، وانخفاض استهلاك الطاقة.
ما هي تغييرات التصميم التي تجريها لتحسين عمر البطارية؟
عند تصميم أجهزة إنترنت الأشياء ، هناك العديد من الطرق التي يمكن استخدامها لتحسين عمر البطارية. يمكن تطبيق هذه الأساليب بطرق مختلفة ، اعتمادًا على الاحتياجات المحددة للتطبيق. تسلط القائمة التالية الضوء على بعض مبادئ التصميم لتحسين عمر البطارية في أجهزة إنترنت الأشياء.
- منخفضة الطاقة المرحلية– يستفيد العديد من الشركات المصنعة للأجهزة المدمجة التي تستخدم الدوائر المتكاملة من التكنولوجيا الموفرة للطاقة لتقليل استهلاك الطاقة وإطالة عمر بطارية أجهزة إنترنت الأشياء. لقد نشرنا سابقًا مقالات حول إدارة الطاقة ومبادئ التصميم ، والتي يمكن العثور عليها هنا.
- تقنيات إدارة الطاقة– كما أوضحنا سابقًا ، تستخدم الدوائر المتكاملة ووحدات التحكم الدقيقة في أجهزة إنترنت الأشياء تقنيات إدارة الطاقة ، مثل أوضاع النوم العميق ، وسرعات الساعة البطيئة ، وتعديلات الجهد لتقليل استهلاك الطاقة وإطالة عمر البطارية.
- بروتوكولات اتصال فعالة– تعتمد غالبية أجهزة إنترنت الأشياء على تقنية الاتصالات اللاسلكية لإرسال المعلومات لمزيد من المعالجة. باستخدام بروتوكولات الاتصال الموفرة للطاقة ، مثل Zigbee و Bluetooth Low Energy ، يمكن تقليل استهلاك الطاقة لهذه الأجهزة.
- المكونات النشطة على متن الطائرة– تتمثل إحدى الطرق البسيطة لتقليل استهلاك الطاقة في الحد من عدد المكونات النشطة في الجهاز.
- تحسين البرمجيات– يمكن أن يكون تحسين البرامج التي تعمل على جهاز إنترنت الأشياء طريقة فعالة لإدارة استهلاك الطاقة. أنشأ المصممون خوارزميات وهياكل بيانات فعالة لتقليل عدد العمليات التي تعمل على الجهاز.
في بعض أجهزة إنترنت الأشياء ، قد لا يكون مؤشر انخفاض البطارية موجودًا ، مما يؤدي إلى اعتماد المستخدم على مواصفات عمر البطارية التي توفرها الشركة المصنعة. ومع ذلك ، في التطبيقات ذات المهام الحرجة ، هناك حاجة ماسة لتقدير عمر بطارية جهاز إنترنت الأشياء الذي تم نشره حديثًا بدقة.
كيف تحل المشاكل المرتبطة بقياس عمر البطارية؟
قامت شركة Keysight Technologies ، وهي شركة تنتج معدات الاختبار والقياس الإلكترونية ، بتصميم X8712A ، وهو حل لتحسين عمر بطارية أجهزة إنترنت الأشياء. يستخدم هذا الحل محلل الطاقة Keysight X8712A-DPA DC ، ووحدة قياس المصدر ووحدات التحميل الإلكترونية ، واكتشاف أحداث التردد اللاسلكي ، وبرنامج تحليل الطاقة المستند إلى الأحداث KS833A2A PathWave لتحديد إجمالي استهلاك الطاقة لجهاز إنترنت الأشياء. الهدف من هذا الحل هو التقاط أحداث RF و DC في الجهاز ، ومطابقتها مع الاستهلاك الحالي ، وتقدير عمر بطارية جهاز إنترنت الأشياء.
- إعداد الأجهزة– محلل طاقة التيار المستمر هو أداة تقيس جهد التيار المستمر وتيار الجهاز الذي يتم اختباره. تم تصميم وحدات قياس المصدر لمحاكاة البطاريات وتشغيل جهاز إنترنت الأشياء ، ويتم استخدام وحدات التحميل الإلكترونية للتيار المستمر لمراقبة الأحداث.
- تصور البرمجيات– يعد برنامج Keysight KS833A2A PathWave لتحليل الطاقة المستند إلى الأحداث أداة تصور تقوم بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها بواسطة محلل طاقة التيار المستمر ووحدات قياس المصدر ووحدات التحميل الإلكترونية للتيار المستمر. يوفر البرنامج أيضًا معلومات حول تحليل بيانات الأحداث الفردية وتقدير عمر البطارية لجهاز إنترنت الأشياء.
يدعم حل Keysight X8712A تحليل الاستهلاك الحالي وقياس عمر البطارية لتطبيقات الأجهزة اللاسلكية بأي تنسيق لاسلكي قصير وطويل المدى. يحتوي كاشف الأحداث X8712AD RF على منفذ إخراج RF يتصل بمنفذ الإدخال من خلال جهاز تقسيم الطاقة. يمكن للمستخدمين توصيل منفذ إخراج التردد اللاسلكي بجهاز مصاحب مباشرة أو لاسلكيًا من خلال هوائي. يسمح مسار التردد اللاسلكي هذا للجهاز المرافق بالاتصال بـ DUT ، والتي يتم وضعها داخل صندوق درع. مع هذا الحل ، يمكن للمستخدمين التحكم عن بعد في DUT ووضع DUT في عمليات مختلفة في العالم الحقيقي لتقييم عمر البطارية الفعلي.
“قلل وقت تطوير الاختبار والاختبار من أسابيع إلى أيام باستخدام X8712A ؛ في تطبيق نموذجي ، سيستغرق الأمر بضع دقائق فقط لجمع جميع البيانات ورسمها وربطها لفهم سلوك الاستهلاك الحالي للجهاز “، كما تستنتج الشركة.
