10 лет работы на одной батарейке: беспроводной датчик влажности и температуры

Texas Instruments занимает лидирующие позиции во многих сегментах рынка полупроводниковой продукции. Следуя традиции, компания сама разрабатывает примеры применения своих электронных компонентов и публикует материалы на своем сайте: теория, схемы, референс-дизайны, обучающее видео и т.д. Там же продаются электронные компоненты и готовые платы (комплекты разработчиков и инструменты). Также TI имеет собственный форум e2e.ti.com и поддерживается сторонний ресурс www.43oh.com для инженеров-разработчиков и просто любителей. Активно ведет работу со школами и колледжами, обучая программированию микроконтроллеров даже младшеклассников.

Тем не менее, наши любители мало знакомы с примечательной продукцией этой компании. Скорее всего, это связано с ценой и почти отсутствием материалов на русском языке, что ограничивает аудиторию любителей, познакомившихся с полупроводниковой продукцией от TI. Также есть один неприятный нюанс – некоторые вещи не пропустит таможня РФ, а другие не экспортируются из США в РФ (и это не последствия недавних санкций — «так было»). Тем не менее есть способы приобрести необходимое.

Этой статьей я хочу обратить внимание любителей-разработчиков на решения TI, в частности, применимые для умного дома. Ряд опубликованных статей на GT об умном доме могли бы позаимствовать некоторые интересные решения. Например, опубликованная avs24rus статья Беспроводный Lighting-Sensor с питанием от CR2450, вызвала, запомнившееся мне, обсуждение в комментариях: «Как сделать так, чтобы датчик «поставить и забыть» на улице в условиях экстремальных минусовых температур? Аккумулятор, солнечная батарея, ионистор?

Предлагаю познакомиться с решением этой проблемы от TI на примере референс-дизайна TIDA-00484 TI Design: Датчик влажности и температуры на электронных компонентах TI может работать от популярного литиевого миниатюрного элемента питания CR2032 более 10 лет в диапазоне –30°C… 60°C, что ограничено рабочим диапазоном CR2032, а не электронных компонент для коих этот диапазон равен –40°C… 85°C (для элемента питания BR2032 рабочий диапазон -30… 85 °C).

TIDA-00484 TI Design:



Пойдем от общего к частному. И сначала характеристики TIDA-00484 TI Design:

Параметры	Описание
Источник питания	CR2032 (емкость 240 мАч)
Тип датчика	Влажность и температура
Точность измерения температуры	± 0,2°C
Точность измерения относительной влажности	± 3%
Интервал измерения	Одно измерение в минуту
Среднее потребление во включенном состоянии	3,376 мА
Время во включенном состоянии	0,03 секунд
Среднее потребление в состоянии покоя	269,75 нА
Время в состоянии покоя	59,97 секунд
Расчетное время работы от источника питания	11,90 лет
Диапазон рабочих температур	от –30°C до 60°C (ограничено диапазоном рабочих температур для CR2032)
Условия работы	Внутри и вне помещений
Размер	3,81 см × 7,62 см

Определимся с временем работы от автономного источника питания. Система может находится в двух состояниях: во включенном и в выключенном. Продолжительность и средний ток каждого состояния являются факторами, определяющими общую продолжительность работы от источника питания. Расчет времени производится по следующей формуле:



где

• Battery life, расчетное время работы от источника питания в годах
• Battery capacity, ёмкость источника питания в мАч

А основными параметрами, которые влияют на расчетный срок автономной работы всей системы являются:

• Среднее потребление во включенном состоянии, I_ON, в mA
• Время во включенном состоянии, T_ON, в секундах
• Среднее потребление в состоянии покоя, I_OFF, в нА
• Время в состоянии покоя, T_OFF, в секундах

T_OFF, полностью контролируется конечным пользователем т.к. в данном случае система для измерений просыпается каждую минуту и T_OFF = 1 минута – T_ON. На минимальное время T_ON почти не может влиять пользователь т.к. оно определяется временем необходимым для включения системы, выполнения измерения, передачи радиопакета и выключения системы.

I_OFF определяется как средний ток, потребляемый от батареи в выключенном состоянии. Этот ток обычно определяется в основном током утечки через конденсаторы и рабочий ток датчиков и систем микроконтроллера, обеспечивающих спящих режим. Микроконтроллеры Texas Instruments давно известны сверхнизкой потребляемой мощностью, к которой конкуренты только приближаются, тем не менее даже такой рекордной экономичности не хватает для работы устройства от элемента CR2032 в течении 10 лет. В данном референс-дизайне разработан метод измерения относительной влажности окружающего воздуха и температуры, достигающий чрезвычайно долгий срок службы элемента питания за счет использования таймера в рабочем цикле устройства.

На следующем графике отображены два метода организации рабочего цикла устройства — с использованием обычного спящего режима микропроцессора (красный) и системного таймера (синий). Черная пунктирная линия — заявленный производителем CR2032 срок службы 10 лет.


Референс-дизайн предназначен для использования в:

• Промышленности
• Интернет вещей (IoT)
• Автоматика зданий
• Охранные системы
• Датчики вентиляции и кондиционирования
• Умные Термостаты
• Системы с батарейным питанием

Посмотрим за счет чего получается рекордная экономичность этого прототипа устройства. Устройство построено с использованием следующих компонент:

Компонент	Описание
TPS61291	Повышающий DC-DC преобразователь напряжения с режимом bypass
TPL5111	Системный таймер
TPS22860	Выключатель нагрузки
HDC1000	Датчик влажности и температуры
CC1310	«Беспроводной контроллер»

CC1310 – многоядерная однокристальные система, бюджетный энергоэффективый беспроводной контроллер, оптимизированных для операций в субгигагерцевом диапазоне. Высокопроизводительный трансивер управляется выделенным процессорным ядром Cortex-M0, выполняющим прошитые в его ROM низкоуровневые протоколы.

Протоколы верхнего уровня выполняются на отдельном 32-битном процессорном ядре Cortex-M3 с тактовой частотой до 48 МГц. Опрос датчиков проводится независимым микромощным контроллером (16-разрядный RISC-процессор, способный работать на частотах от 32 кГц, пока остальная система находится в спящем режиме или режиме ожидания), который может работать и с аналоговыми, и с цифровыми датчиками.



Контроллерное ядро Cortex M3 имеет богатый набор периферийных устройств и содержит:

• датчик температуры;
• четыре таймерных модуля общего назначения (2x16- или 1x32 бит с режимом ШИМ);
• 8-канальный 12-битный АЦП (до 200 квыб/с);
• сторожевой таймер;
• аналоговый компаратор;
• UART, I2C;
• три SPI (один из них – микромощный);
• — AES-модуль;
• — 10...31 линий ввода-вывода (в зависимости от текущей конфигурации и корпуса);
• — поддержку до восьми емкостных кнопок

Параметр
Диапазон частот и поддерживаемые типы модуляции	Sub 1 GHz: MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK)
Поддерживаемые протоколы	Сети топологии «звезда»:WMBUS, SimpliciTI
Flash, кБайт	128
RAM, кБайт	20
Напряжение питания, В	1,65...3,8
Температурный диапазон, °C	40...85
Чувствительность 2,4 Кбит/с, дБм	-121
Чувствительность 50 Кбит/с, дБм	-111
Максимальная выходная мощность при 868 МГц, дБм	15
Максимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц	400
Минимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц	40
Скорость передачи данных, кМбит/с	до 4
Энергопотребление	контроллер приложений в активном режиме – 61 мкA/МГц (ARM Cortex M3) ток потребления в спящем режиме с запущенным таймером и сохранением содержимого памяти – 0,7 мкA радиотракт субгигагерцевого диапазона – 5,5 мА при приеме, 12 мА при передаче (выходная мощность 10 дБм)
Техпроцесс	65 нм

Использование наномощного таймера TPL5111 дает очевидное преимущество т.к. фактически к окончанию срока службы элемента питания можно заменить всё устройство, например при запланированном ремонте помещений, обслуживании или модернизации оборудования. Если для умного дома редко нужно более двух таких устройств (внешний и внутренний), то в случае объектов промышленности, зданий и систем вентиляции, таких датчиков будет намного больше и их периодическое обслуживание может выйти в серьезные расходы.



Если рассчитать по формуле выше, то полученный результат будет равен 6,75 лет.

Описание рабочего цикла намного короче описания конструкции и его характеристик.

Во включенном состоянии, по истечении определенного интервала, таймер TPL5111 подает питание на повышающий преобразователь TPS61291, который поднимает выходное напряжение до 3,3 вольт и на выключатель нагрузки TPS22860, соединяющей повышенное выходное напряжение с остальными частями системы. После появления питающего напряжения, CC1310 по I2C получает текущую температуру и относительную влажность с датчика HDC1000, затем передает «безсоединяемый» пакет данных с этой информацией (т.е. без инициализации и установки соединения с каким-либо узлом сети), а затем сигнализирует на TPL5111 о том, что система может быть отключена.

В выключенном состоянии выключатель нагрузки TPS22860 полностью отключает часть системы (CC1310 и HDC1000 устройств) от литиевой батареи. Единственными потребителями тока от литиевой батареи являются токи перезарядки и утечки конденсатора у литиевой батареи, рабочий ток таймера TPL5111, ток покоя TPS61291 в режим байпаса, и ток утечки в переключателе нагрузки TPS22860.

График тока потребления от элемента питания при включении системы.

График тока потребления от элемента питания во выключенном состоянии системы. Логарифмические шкалы.
Подобный рабочий цикл можно применить в других устройствах, например, некие датчики протечки воды, датчики открытия-закрытия дверей и т.п. где информация не требуются в реальном времени, а проблема питания устройства имеет приоритет.

Подробно с референс-дизайном можно познакомиться в документации на сайте TI:

• TIDA-00484. Humidity & Temp Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Enabling 10+ Year Coin Cell Battery Life
• TIDA-00374. TI Designs Humidity and Temperature Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Enabling 10+ Year Coin Cell Battery Life
• Taking power to a new low with the SimpleLink ULP wireless MCU platform