عمر ضعیف باتری زمان روشن بودن بسیاری از وسایل را تحت تاثیر قرار داده است. آیا می توان مصرف انرژی را به حدی تحلیل کرد تا انتظار مصرف کنندگان را نسبت به زمان روشن بودن وسایل شان برآورده سازیم؟
یکی از دلایلی که درک مبحث IoT (اینترنت اشیاء) را به تعویق انداخته است، عمر ضعیف باتریها می باشد.
بنابراین، چگونه می توان مصرف انرژی یک سیستم را به شکلی تحلیل و بهینه سازی کنیم که به یک عمر باتری منطقی دست یابیم؟
خانم “Vanja Samuelsson ” بنیانگذار “Qoitech ” که در یک استارتاپ سوئدی که متعلق به شرکت سونی بوده از این تکنولوژی رونمایی کرد و بیان کرد: برای ساخت ابزاری مقرون به صرفه که برای IoT مناسب باشد شکافی در بازار وجود دارد. مبحث IoT بسیار پیچیده است و بسیاری از کسانیکه راه حلها را ایجاد می کنند در این زمینه بی تجربه هستند.
مصرف انرژی همیشه یک مساله ی حیاتی بوده، از دیدگاه سخت افزاری، نیاز به لایه های نرم افزاری برای راه اندازی آن وجود دارد. به این معنا که انتخاب اشتباه یک پروتکل یا عدم موفقیت در ورود به حساب کاربری و تاثیر به روز رسانی های نرم افزاری، موجب می شود که کاربر یک تجربه منفی بدست آورد.
ابزار اندازه گیری مصرف انرژی
اگر به دنبال سادگی بیشتری هستید، شرکت ” Qoitech” یک ابزاری به نام ” Otii” را ساخته که تجزیه و تحلیل و مقایسه معیارهای اندازه گیری انرژی را ساده و سریع می کند، یک ارتباط شفاف و تمیز بین معیارهای اندازه گیری و کد اجرایی ایجاد می کند. یک متد و روش تجمیع شده برای اندازه گیری و ارزیابی خودکار ارائه می دهد.
” Otii” به همراه واحد سخت افزاری ” Arc” و نرم افزار مولتی پلتفرم دسکتاپ ، ایجاد شده تا برنامه نویسان نرم افزار بتوانند نرم افزارهای خود را از لحاظ مصرف انرژی بهینه کنند. و همچنین برنامه نویسان سخت افزار نیز می توانند که انتخابهای آگاهانه ای در زمینه ابزارهای مدیریت باتری و تبدیل انرژی داشته باشند.
در سیستم هایی با قدرت و انرژی پایین ، شاید مهمترین مساله انتخاب SoC یا MCU باشد. فروشندگان محصولات ” نیمه رسانا “، روشهای مختلفی را برای ذخیره انرژی به کار برده اند.
گاهی اوقات ابزارهای جانبی ، در کنار یک کنترلگر دسترسی مستقیم به حافظه (DMA) قرار می گیرند و داده ها را بدون نیاز به فعال بودن پردازشگر به داخل و خارج از SRAM انتقال می دهند. اما برای یک دیتاشیت میکروکنترلر که دسترسی به آن نیز دشوار است اینگونه نیست.
یکی دیگر از چالش ها، ثبات نوسان ساز ” Oscillator”بعد از روشن شدن دستگاه است. دستگاه زمان سنج از کریستال کوارتز استفاده می کند که برای ثبات بعد از روشن شدن سیستم قبل از اینکه پردازشگر شروع به پردازش کند، به زمان نیاز دارد. اگر یک حلقه قفل فاز “PLL” نیز وجود داشته باشد، ممکن است که فرکانس های زمانی بزرگتری را ارائه دهد. البته برای قفل شدن باز هم به زمان نیاز است و در واقع زمان بیشتری نیاز است.
میکروکنترولرهای متفاوت، راه حلهای متفاوتی ارائه می دهند و یافتن میکروکنترولری که کمترین میزان مصرف انرژی را ارائه دهد، حقیقتا خوش شانسی است.
” Otii Arc” یک قطعه ی سخت افزاری است که امکاناتی چون منبع انرژی قابل برنامه ریزی ، اندازه گیری جریان گسترده پویا و کانال های اندازه گیری جانبی اضافی و ضبط داده را در اختیار شما قرار می دهد.
با ایجاد کنترل بر روی ولتاژ تأمین ( supply voltage) هنگام اندازه گیری میزان مصرف جریان ، می توان استراتژی های مختلف منبع تغذیه را ارزیابی کرد. اگر لازم باشد تأثیر زیر مدار ( sub-circuitry) درک شود ، ورودی آنالوگ دیفرانسیل در اتصال دهنده ( expansion connector) به همراه یک مقاومت کوچک در خط تأمین ، سبب می شوند تا تاثیر انرژی به طور کامل از کل مصرف انرژی جدا شود.
دومین کلید اصلی ، داده سریال ورودی RX از درگاه اتصال است. داده های ارتباط سریال را می توان از طریق این رابط با سرعت 9600 بیت در ثانیه(bps) تا 4 مگابیت بر ثانیه ضبط کرد. پیام های خروجی ( log message) برنامه توسط برنامه بارگذاری می شوند و با سایر معیارهای دامنه زمانی “time-domain ” همگام می شود. یک سیستم عامل بلادرنگ (RTOS)-based می تواند علاوه بر traceبرنامه به وسیلهUART ، بین برنامه ها نیز سوئیچ کند و از حالتهایی با انرژی پایین و یا برنامه های بیکار خارج شود و وارد برنامه و کار دیگری شود. عنصر نهایی ورودی آنالوگ انتهایی ( single-ended) است که در صورت عدم اندازه گیری انرژی حالت دیفرانسیل ( differential-mode)، موجود است.
این ابزار می تواند هر نوع سیگنال آنالوگ یا دیجیتال را ضبط کند و همچنین پین های toggled general-purpose input/output( GPIO) را نیز کنترل می کند.
ساده سازی تحلیل مصرف انرژی
نرم افزار ” Otii” ، تحلیل مصرف انرژی را ساده می کند و تحلیل آنرا به سه بخش تقسیم می کند: یک سایدبار ، جاییکه موارد ضبط شده و نمودارها قرار دارند، محیط گراف و یک فضا برای پیام های لاگ ( log view).
برای درک بهتر ارتباط بین محیط اجرایی برنامه و مصرف انرژی ، گراف و محیط لاگ به یکدیگر متصل شده اند.
با توجه به تغییر در معیارهای اندازه گیری و نقاط متمرکز در برنامه ، مقادیر ماکزیمم ، مینیمم ، میانگین و معیارهای انرژی به صورت اتوماتیک به روز می شوند. جستجو برای کلید زمانی در محیط اجرایی برنامه به وسیله دستور جستجو در خروجی سریال لاگ برنامه ، بسیار کار ساده ایست.
از آنجاییکه نودهای IoTنمی توانند به تنهایی عمل کنند، به همین دلیل به معیارهای مصرف انرژی برای نودهای شبکه به طور همزمان نیاز است. در ساختار اصلی شبکه، برخی از دستگاهها نقش درگاه را ایفا می کنند، که در نتیجه نیاز بیشتری به مصرف انرژی نسبت به نودی که به تنهایی کار میکند، دارد.
نرم افزار ” Otii” بین ابزارهای مختلفش، تفاوت قائل است. حتی به کاربر اجازه می دهد که برای آنها نام های دلخواه ایجا کنند. بنابراین، از کارکرد این نرم افزار هنگامیکه بین بخش های مختلف سخت افزار که اندازه گیری شده است سوئیچ می کنید، مطمئن شوید.
ویژگی های پیشرفته دیگر نرم افزار “Otii “، شبیه سازی سلولهای باتری و پشتیبانی برنامه نویسی می باشد. شبیه ساز باتری یکپارچه اجازه می دهد تا به جای تعریف ولتاژ تأمین ( supply voltage) ثابت، یکی از چندین نوع مختلف باتری را انتخاب کنید. هر باتری انتخاب شده ، نتایج را به صورت پارامترهای اصلی به همراه منحنی تخلیه سازنده آن در صفحه نمایش نشان می دهد. هنگام استفاده از اسلایدر ، برنامه نویس می تواند سطح تخلیه سلول را نیز تعریف کند، که برای درک واکنش یک برنامه نسبت به اُفت ولتاژ که در 10-20٪آخر عمر یک باتری اتفاق می افتد، ایده آل است.
با استفاده از زبان استانداردLua ، می توانید داده های سریال مربوط به فایلهای لاگ ثبت شده در خارج از نرم افزارOtii را وارد کنید.
با تهیه فایلهایی لاگ که حاوی اطلاعات مربوط به جدول زمانی می باشند ، امکان تبدیل آنها به فرمتOtii برای وارد کردن درGUI است.
دو زبان برنامه نویسی که توانایی مدیریت لاگهای Android ADB و Linuxرا دارند، در آن تعبیه شده است. این زبانهای برنامه نویسی همچنین در پوشه نصب موجود هستند و امکان استفاده از آنها به عنوان زبانهای برنامه نویسی پایه را می دهد. در صورت عدم تطابق دامنه زمانی اندازه گیری انرژی و فایلهای لاگ ، محیط لاگ سیستم این امکان را فراهم می آورد که آفست مثبت و منفی در کسری از میلی ثانیه عمل کند و سبب می شود تا داده -ها به سرعت در ثبت معیارهای اندازه گیری انرژی همگام شوند.
ثبت و تحلیل باتری را به کمک برنامه نویسی نیز می توان انجام داد.
یک سازنده ی دیتاشیت تمایل دارد که ترکیبی از تخلیه بار ثابت، تخلیه جریان ثابت و منحنی های تخلیه بار پالس را حدودا در دمای اتاق، فراهم کند. از آنجاییکه خیلی بعید است که توسعه دهنده برنامه دقیقا معادل این ویژگی های تخلیه بار را ایجاد کند، می توان یک برنامه آزمون یا تست به صورت دستی نوشت.
این گونه آزمون ها شامل یک حلقه هستند که در هنگام ورود ولتاژ سلول ، بارهای الکتریکی مختلفی را برای دوره های زمانی مختلف اعمال می کند.
این آزمون با رسیدن به تعداد معینی از تکرارها، یا هنگامی که ولتاژ سلول به حد کمتری رسیده باشد، متوقف می شود.
در زمان پایانی برنامه نویسی این محصول، انجام تست های طولانی مدت یا حتی ایجاد قابلیت تست خودکار نیز مفید است.از طریق خط فرمان برنامه اجرا شده ی Otiiمی توان از قابلیت برنامه نویسی آن استفاده کرد. برنامه آزمون دستی ایجاد شده یا حتی محیط های آزمون مثل محیطJenkinsمی توانند اجرای آزمون تست را کنترل کنند.
وقتیکه نوبت به تولید محصولات برای IoTمیرسد، توسعه دهندگان نیاز به بینش بیشتری در مورد مصرف انرژی ممکن در هر دوره پروسه تولید محصول دارند که شامل طراحی و ساختار سیستم، انتخاب سیلیکون و نوع نیمه رسانا ، برنامه نویسی و آزمون می باشد.
سخت افزار Otiiکه دامنه ی پویای بزرگی دارد به همراه نرم افزار Otii، به صورت یک رابط ساده و شفاف ، یک سیستم یکپارچه طراحی شده ( تا زمانهای استفاده از بیشترین انرژی یک برنامه را به قسمتهای خاص کد برنامه متصل کند)، میکروکنترلر یا پیکربندیSoC یا وضعیت مدار فرعی سیستم ارائه شده است.
