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Hardware inteligente para mejorar la eficiencia energética de los dispositivos IoT

El Internet de las Cosas (Internet of Things o IoT) se valdrá de una gran variedad de sensores para detectar componentes químicos, humedad, temperatura y otras variables ambientales haciendo más inteligente al mundo que nos rodea. IoT permitirá mejorar el confort ambiental dentro de los edificios, incrementar la productividad de las manufacturas o incluso optimizar la distribución al asegurarse que las mercancías se mantienen en condiciones adecuadas en cualquier situación. El bajo consumo energético es un requisito esencial de cualquier sensor IoT. Para reducir los costes de mantenimiento, muchos usuarios quieren que las baterías sean capaces de alimentar a sus dispositivos durante todo su ciclo de vida, que puede ser de cinco, diez o incluso más años. El consumo energético de un sensor IoT se calcula sumando la energía consumida durante el proceso de datos y la interacción con la red inalámbrica, y la energía residual utilizada entre estos períodos de actividad. El consumo de cualquier dispositivo lógico CMOS, como por ejemplo un microcontrolador, procede de la carga requerida para cambiar entre diferentes estados. Además hay energía que se escapa debido a las fugas. En la conmutación, la potencia consumida viene determinada por la fórmula P = CV²f, donde P es la potencia consumida, C es la capacitancia total de los circuitos del dispositivo, V representa la tensión y f es la frecuencia de funcionamiento. Las fugas dependen de la tecnología de procesado y están muy por debajo del nivel de conmutación. Sin embargo, como las fugas son continuas, a largo plazo producen una pérdida significativa de energía. La única forma de prevenir las fugas es apagar el circuito. Muchos microcontroladores implementan esta solución: cuando el sistema está en reposo, el microcontrolador “duerme” permitiendo que los carriles de alimentación queden desconectados, dejando tan solo algunas partes del circuito funcionando, como el reloj. Este estado de hibernación consumirá mucha menos energía que en un estado activo.

Muchas aplicaciones IoT pueden aprovechar el soporte del microcontrolador en los estados de reposo. Los intervalos temporales entre períodos de alta actividad pueden ser muy largos. Probablemente cada lectura de sensor no será de más de cientos de microsegundos. Incluso en sistemas con frecuencias de muestreo de 10 lecturas por segundo, el sensor puede estar hibernando la mayor parte de su vida útil. Los diseñadores de microcontroladores destinados al IoT han dirigido sus esfuerzos de diseño no solo a reducir la potencia consumida en los estados activos y de hibernación, sino también a aumentar la proporción de tiempo que el dispositivo pasa en estado de hibernación. También se gasta potencia en las fases de entrada y salida de los períodos de hibernación. Aunque los diseñadores de microcontroladores han trabajado para reducir el retraso de la activación utilizando aceleradores en los osciladores del reloj, el sistema consumirá energía mientras al transferir registros importantes desde y hacia la memoria no volátil y cuando Autor: Simon Duggleby, Product Marketing Manager, Electronics Division, RS Components La vida útil es muy sensible al ciclo de trabajo entre los estados activos y en reposo. En un ciclo de trabajo del 5%, el dispositivo se puede despertar cinco veces cada segundo en períodos de 10ms. Un microcontrolador que consume 1mA cuando está activo, y que dispone de un modo hibernación profunda que consume constantemente 2μA, puede funcionar aproximadamente cuatro años con una batería de 1800mAh. Si este ciclo de servicio aumenta un 10%, entonces la vida útil se reduce a casi la mitad. realiza otras tareas de mantenimiento. Por lo tanto, la clave para prolongar la vida útil de la batería consiste en minimizar el número de ciclos de activación necesarios. Los periféricos inteligentes proporcionan los medios para conseguir esto. Hay microcontroladores que incorporan periféricos inteligentes para ahorrar energía, desde MCUs de 8 bits como la gama PIC de Microchips hasta SoCs de 32 bits basados en arquitecturas ARM. Algunos incluso incluyen máquinas de estado y procesadores E/S capaces de ges tionar los periféricos sin involucrar procesamiento de software hasta que no sea absolutamente necesario. Otros ejemplos incluyen el picoPower de Atmel, las tecnologías SleepWalking y el bloque periférico LESENSE utilizado en las series de microcontroladores Gecko de Silicon Labs. Por su parte, Microchip utiliza el concepto de periféricos independientes del núcleo en varios microcontroladores PIC12 y PIC16.

La inclusión de las máquinas de estado y otros sistemas lógicos dentro del hardware de periféricos, permite que el núcleo del procesador se encuentre en hibernación durante más tiempo, al transferir al hardware una parte del cálculo asociado que normalmente se realiza vía software. Estos sistemas de control hardware más sencillo y de bajo nivel más rápido desde un estado de reposo y consumir mucha menos energía que una unidad central de procesamiento a pleno rendimiento. En una aplicación típica, el microcontrolador se encontrará la mayoría del tiempo en un estado de hibernación, teniendo activas tan solo las funciones estrictamente necesarias, como el circuito de interrupción del núcleo del hardware y el reloj de tiempo real. Esto no solo permite al sistema procesar las interrupciones y mantener el reloj del sistema, también permite tener el reloj operacional haciendo que sea posible generar interrupciones programadas en intervalos regulares. Esta interrupción del temporizador puede conducir a un despertar parcial que active bloques importantes del hardware como los convertidores analógicos digitales (ADC) conectándose a los sensores externos del dispositivo IoT. Una vez activados, los convertidores analógicos digitales pueden tomar mediciones y pasarlas a la memoria del chip. La máquina de estado en un controlador LESENSE, por ejemplo, puede comparar el nuevo valor con el umbral fijado por el software la última vez el núcleo del procesador entró en hibernación. Si el valor está por debajo del umbral el procesador puede mantenerse en reposo. De lo contrario, la unidad LESENSE despertará el procesador para realizar un análisis más detallado y posiblemente actuar en el cambio. La coordinación a bajo nivel del hardware de periféricos permite almacenar datos recogidos de mediciones iterativas para que los valores estén disponibles para el procesador cuando se active.

Los subsistemas picoPower de los microcontroladores Atmel basados en arquitectura ARM disponen de controladores de acceso directo a memoria (DMA) que permiten almacenar los datos capturados de forma segura en la memoria local. El controlador DMA puede reducir el consumo de energía aún más utilizando una máquina CRC hardware para calcular automáticamente la suma de verificación para proporcionar chequeo de integridad, ahorrando energía adicional. La gama de periféricos independientes del núcleo disponibles para la gama Microchip PIC incluye una Célula Lógica Configurable que realiza lógica combinatoria de hasta 32 entradas internas o externas, continuando en funcionamiento mientras el núcleo del procesador está en hibernación. Esto permite que el acondicionamiento de señal y la manipulación de datos se lleven a cabo sin tener que invocar el procesador a no ser que la lógica determine que es necesario activar una interrupción. El modo Dynamic SleepWalking optimiza aún más el consumo de energía al permitir transiciones de energía sin despertar el procesador. Así, en cualquier momento el microcontrolador puede utilizar el modo de energía más bajo, autónomamente pasar a un modo de mayor consumo cuando sea necesario, para después volver al modo de consumo más bajo una vez que se ha procesado el evento.

Dentro del ecosistema ARM, el soporte software para aplicaciones IoT de bajo consumo llega en forma del sistema operativo basado en eventos mBed OS. Tradicionalmente, los sistemas operativos en tiempo real (RTOS) pueden aumentar el consumo de energía intentando proporcionar la menor latencia posible. El sistema operativo mBed OS sigue el principio de diseño utilizado por los microcontroladores con hardware mejorado para reducir el consumo de energía. El sistema operativo mBed OS no utiliza interrupciones temporales regulares para iniciar las tareas – el procesador se despertará solo si hay tareas que lo necesitan. El modelo single-thread procesa tareas dentro del mismo dominio de alimentación antes de transferir el control a tareas de un dominio diferente. Esto evita el problema de tener activados diferentes dominios de energía cambiando a reposo frecuentemente, lo que minimiza el consumo total de energía. La optimización del procesado para reducir el consumo energético es una tendencia clara en los ecosistemas de microcontroladores, lo que permite aumentar la vida útil de las baterías de los sensores. Pero por sí sola, la combinación de los periféricos de hardware inteligentes funcionando con núcleos de procesador ya proporciona el marco del bajo consumo requerido por los sensores IoT.


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