В результате произведенного изменения конструкции приемопередатчика можно снизить энергопотребление в паузах между пакетами до 1 мА, а общее потребление при ретрансляции пакетов на скорости 32 кбит/c до 1.6 мА.
Что означает, что при полной загрузке на скорости 32 кбит/c устройство сможет проработать 750 часов (1500 часов) от батареи емкостью 1.2 Ач (2.4 Ач) или при 10% загрузке около 10 (20) месяцев.
Как показывают расчеты на скорости 64 кбит/c устройство сможет проработать 450 часов (890 часов) от батареи емкостью 1.2 Ач (2.4 Ач) или при 10% загрузке около 6.2 (12) месяцев.
7. Энергопотребление приемопередатчика в режиме передачи данных и в «спящем» режиме
Приведенные выше данные были получены для самого тяжелого режима- режима ретрансляции пакетов. А что мы имеем в случае передачи данных от сенсора? В этом случае устройству нет необходимости прослушивать эфир. Оно только время от времени шлет пакеты данных. Поэтому приемник, компаратор и ЦАП можно держать выключенными. Что приводит к потреблению устройства при передаче данных со скоростью 32 кбит/c - 1.2 мА или 4 мВт.
Когда устройство длительное время не используется для передачи или ретрансляции данных можно перевести его в спящий режим. При работе в глубоком спящем режиме устройство 1 раз в секунду просыпается и слушает эфир примерно в течение 20 мкс. Если за это время устройство получает из эфира сигнал побудки, оно переходит в активную фазу, если нет - снова засыпает.
В глубоком спящем режиме все блоки устройства отключаются за исключением микроконтроллера, который находится в режиме Power Down. В этом режиме потребление тока микроконтроллером составляет 20-30 мкА. Время выхода микроконтроллера из режима Power Down - 4.3 мс. Кроме того, еще 1 мс требуется для установления частоты кварцевого резонатора. Исходя из этих данных имеем следующую оценку для потребления устройства в спящем режиме.
При нахождении в глубоком спящем режиме в течение 100% времени устройство потребляет ток 80 мкА.
8. Экспериментальное исследование энергопотребления приемопередатчика
На основе описанного подхода к энергосбережению был разработан и изготовлен малопотребляющий приемопередатчик. В ходе работы над экспериментальным макетом устройства были внесены небольшие изменения в первоначально предложенную схему функционирования устройства, которые однако не меняют общего смысла. В таблице 6 приведено сопоставление результатов расчета энергопотребления приемопередатчика в режиме передачи данных и в режиме ретрансляции при скорости передачи данных 64 кбит/с и длине пакетов данных 170 байт для математической модели системы и эксперимента.
Таблица 6.
|
|
Энергопотребление, мА |
||
|
Модель |
Эксперимент |
||
|
Передача данных
|
2.5 |
2.8 |
|
|
Ретрансляция |
3.3 |
4.0 |
При напряжении питания устройства 3.3 В потребление мощности устройством в режиме передачи данных на скорости 64 кбит/c равно 9.2 мВт, в режиме ретрансляции данных на скорости 64 кбит/c - 13.2 мВт.
Выводы
Проведено исследование энергопотребления сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков и проанализированы пути снижения энергопотребления для обеспечения более продолжительной автономной работы.
В результате проведенных исследований предложена структура приемопередатчика и разработан сценарий функционирования отдельных блоков приемопередатчика, позволяющие обеспечить энергопотребление на уровне 2.8 мА (9.2 мВт) в режиме передачи и 4 мА (13.2 мВт) в режиме ретрансляции данных со скоростью 64 кбит/c.
Литература
1. Revision of part 15th Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems, First Report and Order. ET Docket 98-153, FCC 02-48; April 22, 2002. Wash.: Federal Communications Commission (FCC), 2002. // [Электронный ресурс]. URL:
http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/at-tachmatch/FCC-02-48A1.pdf.
2. 802.15.4a-2007. IEEE Standard for Information Technology - Telecommunications and Information Exchange Between systems - Local and metropolitan area networks - specific requirement. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). N.Y.: IEEE, 2007. // [Электронный ресурс]. URL: http://iee-explore.ieee.org/servlet/opac?punumber = 4299494.
3. Win M.Z., Scholtz R.A. // IEEE Commun. Lett. 1998.V. 2. ‹ 2. P. 36.
4. Kelly J. Time Domain's Proposal for UWB Multi-band Alternate PHY Layer for 802.15.3a., N.Y.: IEEE, 2003. // [Электронный ресурс]. URL: http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/Mar03/03143r2P802-15_TG3a-TimeDomain-CFP-Presentation.ppt
5. A Tutorial on Ultra Wideband Technology. IEEE 802.15 Working Group, submission,Mar. 2000. N.Y.: IEEE, 2000. // [Электронный ресурс]. URL: http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2000/Mar00/00082r1P802-15_WG-UWB-Tutorial-1-Xtreme-Spectrum.pdf
6. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А., Панас А.И., Старков С.О. "Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ диапазонах", Радиотехника, 2000, № 3, с.9-20.
7. А.С. Дмитриев, Б.Е. Кяргинский, А.И. Панас, С.О. Старков, "Прямохаотические схемы передачи информации в сверхвысокочастотном диапазоне", Радиотехника и электроника, 2001, Т. 46, № 2, 224-233.
8. Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a Working Group submission, Jul. 2003. N.Y.:IEEE, 2003. // [Электронный ресурс]. URL:http://www.ieee802.org/15/pub/2003/Jul03/03268r2P802-15_TG3a-Multi-band-CFP-Document.pdf
9. Lampe J. Introduction to Chirp Spread Spectrum (CSS) Technology. July, 2004. N.Y.: IEEE, 2004. // [Электронный ресурс]. URL: http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2004/15-04-0353-00-004a-chirp-spread-spectrum-technology.ppt
10. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М., Юркин В. Ю. "Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети" // Радиотехника и электроника, 2008, т. 53, №10, с. 1278-1289.
11. Yang Yu, Viktor K Prasanna, Bhaskar Krishnamachari, Information Processing And Routing In Wireless Sensor Networks, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2006, 204 c.
12. G. Anastasi, M. Conti, M. Di Francesco, A. Passarella, Energy Conservation in Wireless Sensor Networks: a Survey, Ad Hoc Networks, Vol. 7, N. 3, pp. 537-568, 2009.
13. Mario Di Francesco, Giuseppe Anastasi, Marco Conti, Sajal K. Das, and Vincenzo Neri, Reliability and Energy-ef?ciency in IEEE 802.15.4/ZigBee Sensor Networks: An Adaptive and Cross-layer Approach. // IEEE Journal On Selected Areas In Communications, Vol. 29, No. 8, 2011.
14. А.С. Дмитриев, Б.Е. Кяргинский, А.И. Панас, Д.Ю. Пузиков, С.О. Старков, "Эксперименты по сверхширокополосной прямохаотической передаче информации в сверхвысокочастотном диапазоне" // Радиотехника и электроника, 2002, т. 47, вып. 10, с. 1219-1228.
15. Dmitriev A.S., Kyarginsky B.Ye., Panas A.I. et al. // Int. J. Bifurcation and Chaos. 2003. V. 13. № 6. P. 1495.
16. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков С.О. Сверхширокополосная беспроводная связь на основе динамического хаоса,/ // Радиотехника и электроника, 2006, Т. 51, №10, с. 1193-1209.
17. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков С.О. "Сверхширокополосные коммуникационные системы на основе динамического хаоса". // Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1, с. 4-16.
18. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Синякин В.Ю. "Технологическая платформа для создания приемопередатчиков на основе хаотических сигналов". // Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1, с. 77-83.
19. ATMEGA168: 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash. [Электронный ресурс]. URL:http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/T/M/E/ATMEGA168.shtml
20. MAX II Device Handbook. // [Электронный ресурс]. URL: http://www.altera.com/lite-rature/hb/max2/max2_mii5v1.pdf
21. TLV5301: 4.5ns Rail-to-Rail, High-Speed Comparator in Microsize Packages. // [Электронный ресурс]. URL: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlv3501.html
22. AD5300: 2.7 V to 5.5 V, 140 мA, Rail-to-Rail Output 8-Bit DAC in a SOT // [Электронный ресурс]. URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD5300.pdf
23. ADP3303: High Accuracy anyCAP 200 mA Low Dropout Linear Regulator. // [Электронный ресурс]. URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP3303.pdf
24. MAX V Device Handbook. // [Электронный ресурс]. URL: http://www.altera.com/literature/hb/max-v/max5_handbook.pdf