저전력 에지 장치를 위해 통합 WiFi MCU를 선택할 때 고려해야 할 요소는 무엇입니까?

이 질문에 대한 동기는 얼마 전에 마이크로 컨트롤러와 CC3100 Wifi 네트워크 프로세서를 사용하여 간단한 개념 증명 (PoC) IoT Edge 장치를 만들었 기 때문 입니다. 이 프로토 타입의 문제점 중 하나는 구성에 상당한 양의 전력이 필요하다는 것입니다. 따라서 배터리 선택 및 사용 빈도에 따라 2-10 년 이상 지속될 수있는 기존 저전력 장치의 이점을 극복 할 수 없었습니다.

애플리케이션에 따라 현재 제품은 1400mAh ~ 2400mAh 용량의 6V DC 배터리를 사용합니다. 이 장치에는 저전력 감지 요소와 작동 메커니즘이 있습니다. 페이로드는 약 100 바이트 일 것입니다. 통신 빈도는 최대 활동 중 약 2 분마다입니다. IoT 및 시장 수요의 발전에 따라이 PoC는 어느 정도 주목을 받았습니다.

소수의 IOT 플랫폼 제공 업체의 제안에 따라 Texas Instruments의 CC3200 무선 MCU 가 CC3100 의 후속 제품이므로 주로보고 있습니다. 사용하지 않을 때 시스템 레벨에서 CC3100 전원을 완전히 끌 수 있습니다. 이는 시스템 수준에서 저전력에 대한 중요한 이점입니다. 활동이 감지되면 감지 요소가 인터럽트를 통해 마이크로 컨트롤러를 깨 웁니다. ESP8266 , BCM43362 , ATWINC1500B , 88MC200 등과 같은 다른 통합 Wi-Fi MCU가 있습니다. ULPBench Scores 를 사용 하여 저전력 마이크로 컨트롤러의 1 차 분석을 수행 한 다음저전력 애플리케이션을 위해 마이크로 컨트롤러를 선택하는 방법은 무엇입니까? 저전력 마이크로 컨트롤러를 선택하는 데 도움이됩니다. 주파수 당 활성 모드 전류 인출과 같은 매개 변수를 사용했으며 전류에 따라 다른 저전력 모드를 사용하여 정보를 선택했습니다. 따라서 저전력 옵션을 유지하고 IoT 기능을 추가하기 위해 통합 Wi-Fi MCU를 선택할 때주의해야 할 중요한 매개 변수 (무선 통신과 관련이있을 수 있음)는 무엇입니까?

참고 문헌 :

• SimpleLink ™ CC3100 / CC3200 Wi-Fi 인터넷 온 칩 네트워킹 서브 시스템 전원 관리
• Wi-Fi 모듈을 선택하는 방법?

가장 중요한 제약 조건은 전력 소비가 적기 때문에 두 가지 가장 중요한 매개 변수 인 주파수 당 활성 모드 전류 인출 및 다른 저전력 모드에서의 전류 인출에 이미주의를 기울이고 있다고 생각합니다.

통신을 일정하게 유지하면 (즉, 동일한 통신 프로토콜 및 EM 주파수) 최상의 MCU를 선택하는 것은 두 매개 변수를 올바르게 집계하는 것입니다. 그리고 모든 옵션에서 비교할 수있는 단일 숫자 값을 만드는 방법은 다음과 같습니다.

1. 일정 기간 동안 (예 : 일주일 이상) 기기에 대한 예상 활동 프로필을 생성합니다 (통신 빈도 및 기간).
2. 통신이 활성화 된 경우 선택한 기간 동안 사용 된 EM 주파수에서 전류 소모를 계산합니다. 즉, 일주일에 1000 x 활동에서 2 초 동안 10 uA 드로우 (@ 900 MHz 주파수)는 20,000 uA-s / 주.
3. 장치가 기본 저전력 모드에있을 때 선택한 기간 동안의 시간 동안 전류 소모를 계산합니다. 즉 [7 일 x 24 시간 x 60 분 x 60 초-1000 x 2 초 활동]에서 10 nA 소모는 6,028 uA를 의미합니다. -s / 주
4. 2를 추가하면이 가상 MCU에 대해 26,028 uA-s / 주 전류 소모가 발생합니다.
5. 계산 된 주간 전류 소모량을 모든 MCU에 대해 비교할 수 있습니다.

나는 이것이 MCU 활동을 보는 매우 간단한 방법이라는 것을 알고 있습니다. 즉, 단지 두 가지 상태, 즉 유휴 상태와 통신 상태로 간주됩니다. 그러나 다른 모든 상태는 이들 중 하나에 비례하여 약간의 기여를 할 것이라고 믿습니다. 계산 (명령 사이클)을 위해 통신 상태와 함께 번들링 될 수 있으며, 통신 서브 시스템과 비교하여 전력 측면에서 매우 적은 기여를 할 것이다. 요점은이 두 가지 상태를 살펴 보는 것이 선택 과정에 충분하다는 것입니다.

마법의 총알이 없으므로 조언이 고통 스럽습니다. 가장 큰 전력 소비자에게 먼저 치핑을 시작하십시오.

유휴 상태 일 때 모든 칩과 회로의 전원을 끄고 있습니까? 나는 취미 보드와 방패 중 일부가 항상 당신이 기대하는 모든 것을 완전히 끄지는 않는다는 것을 알고 있습니다.

액츄에이터 인 경우 더 가벼운 모터를 사용하거나 드라이브 트레인의 마찰을 줄일 수 있습니까? 더 큰 그림, 더 적은 질량을 갖거나 균형을 잘 잡기 위해 구동 하중을 다시 설계 할 수 있습니까?

통신 인 경우 통신 빈도를 살펴 보는 것으로 시작하십시오. 기존 "2 분"결정을 내리는 요인은 무엇입니까? 덜 자주 의사 소통하기 위해 희생 할 수 있습니까? pub-sub 모델로 전환하고 조건이 허용 될 때 더 적은 바이트로 응답 할 수 있습니까?

프로토콜을 다시 평가하십시오. 면도하는 모든 바이트는 현재 RF 전력 예산의 1 %를 절약합니다. 부울 값을 보내시겠습니까? ASCII 'Y'또는 'N'이 아닌 비트 플래그를 사용하십시오. 가능한 가장 작은 컨테이너를 사용하고 있는지 확인하십시오. 숫자의 허용 범위가 0-99 인 경우 16 비트 정수를 전송하지 마십시오. 대부분의 배터리 전원 프로토콜은 가능한 한 많이 압축하려고 시도합니다. 예를 들어 5x5 요소 배열을보고하는 경우 주소는 8 비트 바이트가 아닌 5 비트 필드 만 있으면됩니다. 압축 관련 논리에 CPU주기를 사용하면 불필요한 비트를 전송하는 것보다 전체 전력 소모량이 훨씬 줄어 듭니다.

큰 전력 소비가 CPU (의심하지만, 가능)라면 사전 계산 된 룩업 테이블과 같은 트릭을 수행하거나 일부 작업을 원격 서비스로 오프로드 할 수 있습니까?

이와 같은 통합 장치를 선택하는 데 사용할 수있는 단일 매개 변수 세트는 없지만 새로 설계된 장치는 2 년 전의 장치보다 첫 번째 근사치라고 생각합니다. 새로운 개념은 아니지만,이 수준의 통합 및 공격적인 전력 목표는이를 진화하는 시장으로 만듭니다.

전체 시스템 (조절기, 발진기, 센서 신호 조절)의 관점에서 볼 때 제공되는 전원 상태에주의를 기울이십시오. 2 분의 활성 상태가 정상 작동 상태보다 덜 깊은 수면의 이점을 얻을 수도 있습니다.

가장 유용한 전력 상태 는 에너지 소비의 대부분을 차지 해야 합니다. 정확히 팬이 어떻게 펼쳐지는지는 조절기, 최소 작동 전압 등없이 직접 전원을 끌 수 있는지 여부에 달려 있습니다.

활성 상태의 경우 가장 많은 RAM 또는 계산 집약적 인 작업을 고려하고 가장 가까운 동등한 부품을 사용하여 벤치마킹하십시오 (CPU, 속도 및 메모리 아키텍처 기반). 응용 프로그램에서 페이로드 및 암호화를 준비하는 것이 쉽지 않은 것처럼 보이지만 일반적으로 이것은 명백한 가정이 아닙니다. 보존 상태는 예를 들어 상태 저장 / 복원없이 센서 통합을 허용 할 수 있습니다.

클럭 속도와 아키텍처를 애플리케이션의 요구에 맞 춥니 다. 절전 상태에서는 누설 전력이 절약됩니다. 장치의 목표 클럭 속도가 낮 으면 장치가 더 오래 동안 활성 상태를 유지해야하지만 더 나은 누설 성능을 달성 할 수있는 설계 (작동 전압이 더 낮을 수도 있음)를 의미 할 수 있습니다.

둘 이상의 설계를 반복 할 때까지 절대 최고의 설계를 알 수 없습니다. 매개 변수가 너무 많기 때문에 (이 시점까지는 제품이 오래 될 것입니다) 따라서 설계 흐름의 상위 레벨은 여전히 중대한. 깨우기 이벤트를 5 % 줄 이도록 아키텍처를 최적화 할 수 있다면 이는 배터리 수명에서 눈에 띄어 야합니다.