Більше 10 років від однієї батарейки CR2032: Бездротовий датчик температури і вологості

1. Архітектура і принцип дії датчика температури і вологості
2. Особливості роботи датчика в бездротових мережах
3. Вбудоване програмне забезпечення
4. Результати вимірювань рівня споживання плати датчика температури
5. Оцінка терміну служби модуля датчика температури від одного елемента живлення CR2032
6. висновок
7. література

TIDA-00484 - нова еталонна плата бездротового датчика вологості і температури, який здатний працювати більш десяти років від єдиної батарейки CR2032 . Для досягнення такого вражаючого результату використовувалися найсучасніші електронні компоненти виробництва компанії Texas Instruments: малопотребляющій таймер, високоефективний DC / DC-перетворювач, ARM-Cortex-M3-контролер з вбудованим субгігагерцевим приемопередатчиком, комбінований датчик температури і вологості.

Сучасні системи автоматики немислимі без величезної кількості різних датчиків. За часів, коли використовувалися виключно провідні датчики, їх число обмежувалося складністю кабельного монтажу. Після появи надійних бездротових технологій це обмеження повністю знято. Проте, виникла інша проблема - проблема харчування.

Бездротові сенсори характеризуються малим споживанням. Це дозволяє їм працювати від одного елемента живлення від кількох місяців до кількох років. Однак після цього потрібна заміна батарейки. Це не є проблемою, якщо число датчиків порівняно невелика. Зовсім інша справа, якщо їх кількість вимірюється сотнями. Тільки уявіть, скільки буде потрібно часу на заміну елементів живлення в датчиках протипожежної системи безпеки великої будівлі.

Бувають і ще більш складні випадки. Наприклад, система датчиків інженерних споруд відрізняється тим, що сенсори розташовуються в надзвичайно важкодоступних місцях, таких як опори мостів. В результаті зміна батарейок є дороге і складне захід.

Звичайно, зовсім без зміни елементів живлення обійтися не вдасться, але слід прагнути до того, щоб виробляти цю операцію якомога рідше. Для цього необхідно скорочувати рівень споживання сенсорів і домагатися збільшення терміну служби від однієї батарейки.

Чи можливе створення датчиків, здатних працювати від однієї батарейки CR2032 протягом десяти і більше років? Впевнений позитивну відповідь на це питання дає один з лідерів електронної галузі - компанія Texas Instruments. Як доказ наводиться еталонна схема датчика TIDA-00484 (малюнок 1).

Мал. 1. Плата зразкового датчика температури і вологості TIDA-00484

TIDA-00484 - модуль датчика температури і вологості, побудованого на базі набору мікросхем з мінімальним рівнем споживання. Плата включає: мікросхему вимірювання температури і вологості HDC1000 , мікроконтролер CC1310 з субгігагерцевим бездротовим приймачем, нанопотребляющій таймер TPL5111 , Високоефективний підвищує DC / DC-перетворювач TPS61291 , Силовий ключ TPS22860 з мінімальним рівнем струмів витоку.

Використовуючи запропоновану схему, можна легко створювати власні рішення для різних областей: промислових системи, автоматики будівель, «Інтернету речей» (IoT), систем безпеки і сигналізації, систем клімат-контролю, портативних систем і так далі.

Архітектура і принцип дії датчика температури і вологості

Структурна схема плати датчика містить наступні основні елементи (рисунок 2): стандартний елемент живлення CR2032, що підвищує DC / DC-перетворювач, системний таймер, силовий ключ, мікроконтролер з бездротовим інтерфейсом, датчик температури і вологості.

Мал. 2. Структурна схема модуля бездротового датчика температури

Для зниження рівня споживання алгоритм роботи схеми використовує два робочих стану: активний режим і режим сну.

У режимі сну все мікросхеми, за винятком таймера і DC / DC-перетворювача, відключені від напруги живлення. При цьому перетворювач знаходиться в сплячому режимі і всього лише транслює напруга батарейки VBAT, від якої і відбувається харчування таймера. Таймер управляє роботою DC / DC і силового ключа. В даному режимі силовий ключ розімкнути, а контролер і датчик температури фізично відключені від живлення і нічого не споживають.

За указаний таймер пробуджує схему, переводячи її в активний режим. Подається дозволяючий сигнал на підвищувальний перетворювач і силовий ключ. Після деякого часу, необхідного на включення датчика і контролера, відбувається швидке вимірювання температури і вологості. Отримані дані передаються по радіоканалу на центральний концентратор бездротової мережі. Після успішного завершення передачі схема повертається в режим мінімального споживання.

Представлена ​​схема має мінімальне споживання в обох режимах роботи. Це пов'язано з використанням унікальних малопотребляющіх компонентів.

HDC1000 - цифровий датчик, що дозволяє вимірювати температуру з відносною похибкою ± 0,2 ° C і вологість з точністю ± 3%. Мікросхема ідеально підходить для визначення параметрів середовища. Вона спроектована таким чином, що чутливий сенсор поміщений на нижньому боці корпусу. Це дозволяє забезпечити високу точність вимірювань навіть в умовах підвищеної запиленості, бруду та інших негативних чинників, що найчастіше зустрічаються на промислових виробництвах.

З точки зору даного конкретного додатка, ключовим гідністю HDC1000 є його наднизьким споживання. При частоті вимірювань 1 виб / с середній струм споживання не перевищує 1,2 мкА!

Замість HDC1000 може застосовуватися його аналог HDC1050 , Що має ті ж характеристики і відрізняється тільки корпусним виконанням WSON.

CC1310 - мікроконтролер з ядром Cortex-M3 і вбудованим бездротовим приймачем, що підтримує різні протоколи, в тому числі wM-Bus і TIMAC 2. CC1310 відрізняється малим споживанням в активному режимі і, крім того, забезпечений режимами зниженого споживання, що надзвичайно важливо для будь-якої програми на батарейках.

TPL5111 - аналоговий таймер з програмованим інтервалом пробуджень. Значення інтервалу задається в діапазоні від 100 мс до двох годин за допомогою одного зовнішнього резистора. При цьому точність завдання досягає 1%.

Таймер TPL5111 має три чудових особливості. По-перше, його споживання набагато менше, ніж у будь-якого інтегрованого таймера мікроконтролерів загального призначення. Його ток споживання не перевищує 35 нА. По-друге, він здатний безпосередньо управляти роботою підвищуючого перетворювача і силового ключа. По-третє, якщо передбачається робота модуля в складі комірчастої мережі бездротових датчиків, то, замість управління силовим ключем, таймер може використовуватися для пробудження контролера із сплячого режиму.

TPS61291 - високоефективний підвищує DC / DC-перетворювач. Він використовується для отримання напруги 3,3 В з напруги елемента живлення.

Даний перетворювач обраний не випадково. З одного боку, він забезпечує високий ККД в активному стані. Наприклад, при роботі з вхідною напругою 3,0 В досягається ККД більше 95% при вихідному струмі 1 ... 100 мА. Якщо ж вхідна напруга становить 2,0 В, то ККД не опускається нижче 90% при тому ж вихідному струмі до декількох сотень мА. З іншого боку, TPS61291 має можливість роботи в режимі ретранслятора напруги елемента живлення (bypass mode). В цьому випадку таймер системи безпосередньо підключений до батарейці CR2032. У такому режимі DC / DC споживає всього 15 нА.

TPS22860 - силовий ключ з струмовим навантаженням до 200 мА. В даному додатку ключ забезпечує комутацію харчування мікросхем контролера і датчика температури. Сумарний струм витоку цього ключа становить всього 20 нА.

Сумарне споживання мікросхем таймера, підвищуючого перетворювача (в режимі транслятора) і ключа в розімкнутому стані визначає загальне споживання системи в сплячому режимі. Нескладно переконатися, що сумарний струм при цьому не перевищує 100 нА. Це - одна з причин, по якій термін служби модуля датчика від одного елемента CR2032 перевищує 11 років.

Особливості роботи датчика в бездротових мережах

При використанні наведеного алгоритму датчик може працювати виключно в складі мереж з топологією типу «зірка». Така топологія передбачає, що кожен бездротової модуль передає інформацію тільки центральному концентратора, який забезпечує необхідну обробку даних і зв'язок з хмарної обчислювальної системою.

Варто відзначити, що якщо замість відключення живлення за допомогою комутації силового ключа переводити процесор в сплячий режим, то можлива робота датчика і в мережах з комірчастою топологією (Mesh Topology). Однак це призведе до збільшення рівня споживання енергії та скоротити тривалість роботи від одного елемента живлення.

В даному додатку для передачі по радіоканалу використовується пакет даних мінімального розміру: два байта для температури і два байта для вологості. При цьому в базовій версії ПО ці дані вичитуються безпосередньо з HDC1000 і не обробляються. Однак якщо потрібно будь-яка додаткова обробка інформації, то її легко забезпечити завдяки потужному процесору CC1310 з ядром ARM® Cortex®-M3.

Радіопередача проводиться за допомогою мініатюрної друкованої антени з частотою 868 або 915 МГц.

Вбудоване програмне забезпечення

Датчик працює під управлінням програмного забезпечення з відкритим кодом, який доступний на сайті Texas Instruments.

Основа коду - вбудована операційна система реального часу TI-RTOS і драйвер I2C для роботи з HDC1000.

Після пробудження датчика відбувається швидке вимірювання температури і вологості за допомогою HDC1000. Далі дані вичитуються по I2C і передаються по радіоканалу.

Виконавши ці операції, процесор формує сигнал DONE для таймера TPL5111. Таймер приймає сигнал і переводить систему в фазу сну: перетворювач перемикається на роботу в режим транслятора напруги, а TPS22860 відключає мікросхеми датчика і процесора від харчування.

Вбудоване програмне забезпечення передбачає використання режимів зниженого споживання для процесора CC1310: на час пробудження HDC1000 і на час виконання вимірювань температури і вологості.

Результати вимірювань рівня споживання плати датчика температури

Як було сказано вище, датчик температури послідовно перемикається між двома фазами: активним станом і фазою сну.

Споживання в кожному з режимів відрізняється. У фазі сну воно визначається сумарними струмами таймера, DC / DC-перетворювача, струмами витоку силового ключа і конденсаторів. В активній фазі вимірювань все мікросхеми знаходяться в активному стані, і споживання виявляється набагато вище. Розглянемо особливості кожного з режимів.

Активна фаза. Після закінчення заданого тимчасового інтервалу таймер TPL5111 формує сигнал DRV, який активує роботу підвищувального перетворювача і силового ключа. У перший момент часу (t = 0 мс) спостерігається стрибок струму споживання до 42 мА (рисунок 3). Він пов'язаний з зарядом вихідних конденсаторів DC / DC-перетворювача. Приблизно через 7,5 мс цей процес закінчується, і струм падає до рівня менше 1 мА. Далі мікросхема датчика HDC1000 проводить вимірювання температури і вологості, і відсилає результати в процесор CC1310 по інтерфейсу I2C. Після цього CC1310 передає дані по радіоканалу. Під час роботи бездротового передавача спостерігається другий стрибок струму (t = 25 мс) приблизно до 25 мА, після чого споживання знову опускається до значень менше 1 мА.

Мал. 3. Діаграма споживання в активній фазі

Час перебування в активному режимі складає близько 30 мс. Інтегрування дозволяє визначити середнє значення струму споживання за цей період. Воно виявляється рівним 3,376 мА.

Фаза сну. Тривалість фази сну визначається необхідною частотою вимірювання. Якщо частота опитування складає 1 хвилину, то за вирахуванням активної фази (30 мс) система знаходиться в режимі сну 59,970 с, тобто більшу частину часу.

Початок фази супроводжується переходом DC / DC в режим транслювання напруги. При цьому конденсатори вихідного фільтра заряджаються безпосередньо від літієвої батарейки, що викликає стрибок струму тривалістю близько 10 мс (рисунок 4, область 1). Цей стартовий кидок визначає середній струм 1,4325 мкА.

Мал. 4. Діаграма споживання в фазі сну

Частину часу споживання виявляється значно менше (рисунок 4, область 2). Воно складається з споживання таймера (42 нА), підвищуючого перетворювача (15 нА), струмів витоку конденсатора фільтра (8,33 нА) і струмів витоку силового ключа (20 нА). На практиці реальні результати вимірювань показали середній струм близько 48,70 нА (рисунок 4, область 2)

Середній струм за весь час цієї фази (область 1 і область 2 на малюнку 4) складає близько 269,75 нА.

Знаючи середній струм в кожній з фаз, можна оцінити час роботи від одного елемента живлення.

Оцінка терміну служби модуля датчика температури від одного елемента живлення CR2032

Ємність стандартної літієвої батарейки CR2032 становить 240 мА • год. При цьому необхідно враховувати фактор втрати ємності при зміні зовнішніх факторів. Зазвичай в розрахунках використовують менше значення, яке складає 85% від номіналу. В даному випадку воно дорівнює 204 мА • год.

Розділивши ємність елемента живлення на середнє споживання датчика, можна отримати значення 11,9 років при частоті вимірювань 60 с. Якщо ж збільшити інтервал опитування до 120, то термін служби перевищить 20 років.

Як було сказано вище, якщо потрібна робота модуля датчика в складі мережі з комірчастою топологією, то процесор завжди повинен бути готовий до прийому інформації. В цьому випадку в фазі сну харчування від процесора не відключається, що призводить до зростання середнього струму з 269,75 нА до 2 мкА. При такому рівні споживання термін служби падає до 6 років, що, втім, залишається відмінним результатом.

висновок

Еталонна плата датчика температури здатна працювати від єдиного елемента живлення CR2032 більше 11 років. Це стало можливим завдяки використанню малопотребляющіх компонентів і поділу роботи датчика на два інтервали: активну фазу і фазу сну. При цьому в фазі сну вдається домогтися середнього струму споживання на рівні 270 нА, а в активній фазі середнє споживання становить менше 3,4 мА.

література

1. Humidity and Temperature Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Enabling 10+ Year Coin Cell Battery Life. Texas Instruments, 2015.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .