یکی از دغدغه های راه اندازی سیستم های مبتنی بر باتری، افزایش زمان کارکرد باتری است. این موضوع که از دیرباز ذهن طراحان را به خود مشغول نموده، زمانی رنگ پیچیدگی به خود میگیرد که محدودیت فضا هم یکی از چالش های طراحی محسوب شود؛ چراکه می دانیم اگر باتری با ظرفیت بیشتری را برای افزایش عمر دستگاه انتخاب نماییم، می بایست فضای بیشتری را به دستگاه اختصاص دهیم، از این رو که با افزایش ظرفیت باتری، اندازه فیزیکی باتری نیز افزایش خواهد یافت. در این آموزش قصد داریم به تعدادی از روش‌های متداول که در بهینه سازی مصرف انرژی دستگاه های اینترنت اشیا برای مدیریت توان مصرفی به کار گرفته می شوند، بپردازیم تا بتوانیم انرژی مصرفی را کاهش داده و طول عمر دستگاه را افزایش دهیم. در ادامه با مرجع تخصصی آردویینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک، همراه باشید.
توان مصرفی و اثر آن در زمان کارکرد
هر مدار الکتریکی و یا الکترونیکی، هنگام فعالیت، توان مصرفی مورد نیاز خود را از منبع تغذیه تامین می نماید. این توان مصرفی برای دستگاه ها و ماژول های مختلف، بسته به میزان عملکرد، متفاوت است. به عنوان نمونه، یک سنسور شتاب سنج ممکن است جریان مصرفی در حدود ۲۵۰ میکروآمپر داشته باشد، حال آنکه یک برد آردویینو uno ممکن است توان مصرفی آن به ۵۰ میلی آمپر نیز برسد. بنابراین، میزان جریان مصرفی و به دنبال آن توان مصرفی هر سیستم، با سیستم دیگر، متفاوت خواهد بود. به منظور تفکیک دو مفهوم جریان مصرفی و توان مصرفی، این موضوع را در نظر داشته باشید که توان مصرفی، تابعی از حاصلضرب جریان مصرفی سیستم در ولتاژ تغذیه آن، به شکل زیر است:
P=V*I
در ادامه، برای مدیریت توان مصرفی باید توجه داشت که یکای توان مصرفی وات و جریان مصرفی، آمپر نیز خواهد بود. بدیهی است که میزان ولتاژ تغذیه یک سامانه، در میزان توان مصرفی آن، تاثیرگذار است. از دیگر عوامل موثر بر توان مصرفی، علاوه بر ولتاژ، می توان به فرکانس کاری پردازنده یک سیستم، نیز اشاره نمود؛ چراکه همانطور که می دانید، لایه سخت افزاری یک دستگاه اینترنت اشیا، از سه بخش سنسور، پردازنده و واحد مخابراتی تشکیل شده است. پردازنده که غالبا یک میکروکنترلر است، با یک فرکانس کاری مشخصی، فعالیت می نماید. رابطه زیر، تاثیر ولتاژ تغذیه و فرکانس کاری یک پردازنده را بر توان مصرفی، نشان می دهد:
P=F*C*V^2
در رابطه فوق، چنان که مشخص است، میزان توان مصرفی با مجذور ولتاژ و فرکانس کاری پردازنده، رابطه خطی و از نوع مستقیم دارد. البته میزان خازن های به کار رفته در مدار که پارامتر C بیانگر آن است، در میزان توان مصرفی تاثیر گذار خواهد بود. با توجه به اینکه در لایه سخت افزاری اینترنت اشیا، وظیفه پردازش داده ها بر عهده میکروکنترلر است، بنابراین ولتاژ تغذیه و فرکانس کاری پردازنده(کلاک) در میزان توان مصرفی، نقش اساسی را ایفا می نمایند. در قسمت بعدی، راجع به این موضوع، بحث بیشتری خواهیم داشت.
کاهش توان مصرفی با زمانبندی ارسال داده
همانطور که در ابتدای این مطلب بیان گردید، برای کاهش و کنترل توان مصرفی، روش های مختلفی متصور است. در این قسمت برای مدیریت توان مصرفی، به یکی از معروف ترین روش های نرم افزاری کاهش توان مصرفی می‌پردازیم. همانطور که می دانید، در یک دستگاه اینترنت اشیا که در لایه سخت افزاری قرار گرفته است، سه بخش مهم سنسور، پردازنده و واحد مخابراتی به کار مشغول هستند. سنسور داده را از محیط دریافت کرده و در قالب سیگنال آنالوگ و یا دیجیتال، به پردازنده انتقال می دهد. پردازنده، پس از تجزیه و تحلیل داده ها، آن ها را به شکل قابل فهم برای انسان تبدیل نموده و به واحد مخابراتی جهت ارسال، تحویل می دهد. در قسمت واحد مخابراتی، که می تواند از تکنولوژی های مختلف نظیر بلوتوث، وای فای، gprs/gsm، زیگبی و… بهره برده شده باشد، داده ها به گیرنده ارسال خواهند شد. با توجه به این موضوع که واحد مخابراتی غالبا یکی از پر مصرفترین المان ها به شمار میرود، در صورتیکه داده ها دائما ارسال شوند، توان مصرفی یا به عبارت ساده تر، جریان مصرفی به شدت افزایش یافته و همین موضوع سبب تخلیه سریع باتری خواهد شد. راهکار مفید در این زمینه آن است که واحد مخابراتی در حالت stanby قرار بگیرد و در بازه های زمانی مختلف، مثلا هر ده دقیقه، واحد مخابراتی فعال شده و سپس داده ها به گیرنده، ارسال گردند. در این حالت، بر خلاف حالتی که داده ها دائما ارسال می گردیدند، در یک ساعت، ۶ دفعه ارسال خواهند شد و همین امر سبب کاهش چشمگیر توان مصرفی خواهد شد. از طرفی دیگر، معمولا تمام پردازنده های موجود در بازار، دارای حالت کاهش توان مصرفی هستند که با فعال سازی آن، توان مصرفی سیستم، به طور کلی کاهش خواهد یافت.
کاهش توان مصرفی با دسته بندی ارسال
در روش قبل، متدی معرفی شد که در آن داده ها با فواصل زمانی، ارسال می شدند. با وجود اینکه این روش توان مصرفی را کاهش می دهد، اما در برخی اوقات، نیاز است تا در مواقع اضطراری، داده ها ارسال شوند. به عنوان نمونه، بیماری را فرض کنید که نیاز است تا داده های حیاتی وی نظیر فشار خون و ضربان قلب وی، به وسیله یک گجت پوشیدنی و به صورت بی سیم به گیرنده ارسال گردد. در صورتیکه هر ده دقیقه یکبار داده های وی ارسال شوند، این ریسک وجود دارد که قبل از ارسال داده ها، وی دچار وضعیت حاد گردد. از طرفی دیگر، نیاز است تا مجموعه ای از وضعیت بیمار، به جهت تحلیل ثبت گردد که طبیعتا ارسال دائم داده ها، سبب افزایش توان مصرفی خواهد شد. روشی که در اینجا می تواند مشکل را برطرف سازد، این است که علاوه بر اینکه داده ها در فواصل مختلف زمانی ارسال می شوند، در صورتیکه هر یک از سنسورها علامتی بحرانی از وضعیت بیمار را گزارش نمودند، بلافاصله واحد مخابراتی فعال شده و داده ها نیز، ارسال گردند. بدین ترتیب، علاوه بر اینکه از وضعیت بیمار داده به اندازه کافی در اختیار خواهیم داشت، در صورت وقوع شرایط بحرانی، داده ها مخابره خواهند شد؛ البته که توان مصرفی همچنان کاهش خواهد یافت.
جمع بندی مصرف انرژی
در این آموزش، به نقش و اهمیت توان مصرفی در مدت عملکرد دستگاه های اینترنت اشیا که با باتری تغذیه می شوند، پرداختیم. با فرمول ها و پارامترهای تاثیر گذار آشنا شدیم، همچنین راجع به دو روش مهم و متداول کنترل و کاهش توان مصرفی،پرداختیم. طراحی سیستم های مبتنی بر اینترنت اشیا، چالش های ریز و درشتی را در برمی گیرد که مدیریت توان مصرفی، یکی از آن هاست. امید است که مطالب مندرج در این آموزش، هر چند کوتاه، به طراحان امر و علاقه مندان ورود به این حوزه، دیدی هرچند کم، اما کلی، داده باشد.
چنانچه در خصوص موارد اطلاع رسانی شده سوالی دارید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در کدها و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.
