Целесообразность применения батарейного питания удалённых беспроводных датчиков

Уже достаточно давно в мире термин «автоматизация» перестает ассоциироваться со словосочетанием «технологический процесс». Это значит, что автоматизация все больше проникает в разные сферы жизни и деятельности. Все большее количество вещей оборудовано датчиками и исполнительными устройствами и не обязательно, что эти вещи – сложные технические устройства, даже не обязательно, что они вообще электрические.

Например, можно оборудовать датчиком почтовый ящик, чтобы знать, не приходило ли вам письмо и не обязательно для этого проводить к нему электрический и информационный кабель, достаточно оснастить его датчиком, радиопередатчиком и батареей.

По замыслу в удаленном устройстве сбора данных применяются три основных компонента – контроллер, АЦП и приемопередатчик. Рассмотрим пример построения такого устройства на основе компонентов с малым энергопотреблением. В качестве контроллера была выбрана микросхема компании Atmel семейства AVR – Atmega48P [1; 2]. В обозначении этой микросхемы суффикс «P» расшифровывается как «picoPower» – семейство экономичных AVR-контроллеров. Также в устройстве будет применяться внешний АЦП

ADS1115, ток потребления которого в режиме измерения равен всего двум микроамперам [3]. Самый энергопотребляющий компонент – приемопередатчик RFM95 [4]. Данный приемопередатчик отличается от своих аналогов наличием различных режимов сна и ожидания, а также в основе своей имеет технологию приема/передачи LoRa, одна из особенностей которой – малое энергопотребление в рабочих режимах [5]. В таблице 1 указано энергопотребление каждого компонента в различных режимах.

Таблица 1

Значения потребляемых токов компонентами устройства в разных режимах при напряжении питания 3,3 В

Отсюда можно определить энергопотребление устройства в рабочем режиме и в режиме ожидания при различной продолжительности нахождения в каждом из них. Энергопотребление модуля приема и передачи данных изменяется довольно в широких пределах, причина этому – различная выходная мощность, которую можно задавать в зависимости от удаления модуля от приемника. Соответственно, можно рассчитать два значения потребляемых устройством токов – при максимальном удалении от приемника и при минимальном. С учетом потребления вспомогательных цепей это будет составлять около 21 мА и 121 мА соответственно. В режиме ожидания устройство потребляет 0,0002 мА.

Энергопотребление зависит от режима работы конкретного устройства, ведь логика работы следующая – при первом включении устройства оно посылает запрос на «головной контроллер», спрашивая «как часто и какое измерение мне производить?», на что получает нужный ответ. В дальнейшем уже от этого ответа зависит то, как часто оно будет выходить из режима ожидания в рабочий режим, который, исходя из технического описания приемопередатчика, длится около 400 мс. В это время включается выход его из режима сна и передача 8 килобайт данных. Например, если требуется производить опрос какого-либо датчика каждую минуту, то из 60 секунд ожидания примерно половину секунды устройство находится в рабочем режиме.

Расчет времени работы устройства от батареи осуществляется по формуле:

t = C/I, где t – время работы устройства [ч]; C – емкость источника питания [А*ч]; I – средний потребляемый ток в течение часа работы устройства [А].

На рисунках 1–4 представлены расчетные графики, показывающие примерное время работы устройства при трех разных значениях мощности передатчика, разном времени опроса датчиков и для различных типов батарей.

Рис. 1. Определение времени работы датчиков при их опросе один раз в секунду.

Рис. 2. Определение времени работы датчиков при их опросе один раз в минуту.

Рис. 3. Определение времени работы датчиков при их опросе один раз в час.

AAA (хЗ)

Тип батареи

Рис. 4. Определение времени работы датчиков при их опросе один раз в сутки.

В приведенных графиках представлены результаты упрощенных расчетов по усредненным исходным данным о количестве времени, которое устройство может проработать. В них не включено множество различных факторов, таких как окружающая температура, конкретный тип и марка батарей и датчиков, не говоря уже о том, что такое большое время среднестатистическая батарея даже без нагрузки не продержит емкость, и разрядится за счет саморазряда.

Но даже без учета всех дополнительных факторов по результатам анализа можно судить о целесообразности применения батарейного питания в устройствах удаленного беспроводного сбора данных при наличии возможности оперативной замены батарей по заранее разработанному расписанию в зависимости от необходимой частоты опроса датчиков и требуемой мощности передатчика. Например, при опросе датчиков один раз в минуту и средней мощности передатчика, батареи типа АА (x3) в рассматриваемом устройстве необходимо заменять примерно раз в год.