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


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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 MCUCC3100 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 :


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CC3200이 Applications Microcontroller, Wi-Fi Network Processor 및 Power-Management Subsystem으로 구성되어 있기 때문에 올바른 구성 요소를 이해하고 있는지 잘 모르겠습니다.
가니 마

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@Ghanima, Tektronix는 Wi-Fi 모듈을 선택하는 방법이 있습니까? 안내서. 통합 Wifi 모듈 가이드를 선택하는 방법이 있습니까? 나는 아무것도 찾을 수 없었다. 다른 벤더들은 와이파이 모듈을 통합했습니다. 글을 쓰는 시점에는 CC3200을 연구하지 않았습니다. 이 커뮤니티에 참여함으로써 얻을 수있는 이점은 질문을 반송하고 서로의 경험을 배우는 것입니다. 요컨대, 저전력 IOT 애플리케이션을 위해 IOT 애플리케이션에서 B보다 A를 향상시키는 것은 무엇입니까? 와이파이, 예를 들어 sigfox 또는 lora보다 좋은 것이 있습니까?
Mahendra Gunawardena

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이것은 나에게 너무 일반적인 것 같습니다. 테스트로서, 우리는이 질문에 대답 할 수있는 가능한 방법 중에서 좋은 답을 어떻게 식별 할 수 있습니까?
Sean Houlihane 2016

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귀하의 질문을 여러 번 읽었지만 여전히 귀하가 무엇을 요구하는지 이해하지 못합니다. 사용자 스토리는 훌륭하지만 설정의 어느 부분을 요구하고 있습니까? 귀하의 질문에서 말하는 것은 저전력 소비입니다. 따라서 저전력 소비 이외의 다른“중요한 매개 변수”는 무엇입니까? 나는 여기에 숨어있는 좋은 질문이 있다고 확신하지만 그 절반은 여전히 ​​당신의 머리에만 있습니다.
Gilles 'SO- 악의를 멈춰라'

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교육 당 에너지는 사용 사례와 관련이 있습니까? 귀하의 질문에있는 정보로, 그것은 분명하지 않습니다. 많은 계산을 수행하지 않으면 유휴 전원 켜기, 특히 라디오로 인해 계산이 비틀어 질 수 있습니다.
Gilles 'SO- 악의를 멈춰라'

답변:


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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.


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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?


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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 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.

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