Un MCU con ingombro ridotto e con una sofisticata analogica può far risparmiare spazio sulla scheda e ridurre i costi di sistema nelle applicazioni alimentate a batteria? Eccone un esempio concreto.
Lo sviluppo di applicazioni come sistemi di sicurezza e dispositivi di monitoraggio medicale wireless dipende da diversi fattori quando si ha l’obiettivo di assicurarsi che saranno progetti di successo, tuttavia la complessità dello schema progettuale e l'efficienza energetica possono essere tra le più importanti questioni da tenere in considerazione quando si tratta di applicazioni connesse e alimentate a batteria. Questo perché maggiore è la durata richiesta della batteria per un'applicazione finale, minore deve essere il consumo energetico medio. Per meglio soddisfare i requisiti di alimentazione di queste applicazioni, e volendo realizzare allo stesso tempo progetti affidabili e di lunga durata, i progettisti dovrebbero innanzitutto prendere in considerazione i microcontroller (MCU), piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico, con caratteristiche e funzionalità integrate, intelligenti e sofisticate. Tali MCU sono in grado di gestire la maggior parte delle attività richieste dall'applicazione, riducendo la necessità di componenti passivi esterni, per esempio in un progetto di nodo sensore, offrendo al contempo basso consumo e funzionalità integrate per una maggiore flessibilità e semplicità.
Ad esempio, quando si progettano nodi di sensori alimentati a batteria per un'applicazione come un sistema di sicurezza domestica, un rilevatore di movimento PIR (Passive InfraRed) viene spesso posizionato sia all'interno che all'esterno della residenza. Un sensore PIR rileva i cambiamenti nella quantità di radiazione infrarossa "vista" dagli elementi del sensore, che quindi varia in base alla temperatura e alle caratteristiche della superficie dell'oggetto rilegato dal sensore. Quando una persona passa tra sensore e sfondo, il sensore rileva il cambiamento dalla temperatura ambientale alla temperatura corporea e viceversa. Converte quindi la variazione risultante nella radiazione infrarossa in entrata in una variazione nella tensione di uscita (VPIR(t)). Anche altri oggetti, pur con la stessa temperatura dello sfondo, ma con caratteristiche di superficie diverse, faranno sì che il sensore rilevi un modello di emissione diverso, come mostrato nella figura qui sotto.
Principio del rilevamento di movimento con sensori PIR
I livelli del segnale di uscita da un sensore PIR sono in genere molto bassi, inferiori a 1 mV. Per rilevare il movimento ed evitare falsi rilevamenti, il segnale analogico deve essere amplificato prima di essere campionato dal convertitore analogico-digitale (ADC). Nelle tipiche soluzioni PIR, ciò si ottiene utilizzando diversi stadi di amplificatori operazionali (Op Amp) con guadagno elevato, che a sua volta aumenta la complessità del progetto, il numero di componenti, l'efficienza energetica, i costi e altro ancora. Proseguendo nella lettura scoprirai come un MCU piccolo ed efficiente dal punto di vista energetico può aiutare a ridurre questi effetti.
Complessità di progettazione di un MCU
Basando lo schema di un nodo sensore PIR su un MCU di piccolo ingombro con il set di funzionalità adatto, come un ADC differenziale a 12 bit con programmable gain amplifier (PGA) programmabile, si riduce la necessità di componenti esterni, spazio sulla scheda e costi della distinta base. Considera in tal senso il sensore PIR Click di MickroE. Questo è un PCB (printed circuit board) con tutti i componenti passivi per creare un nodo sensore PIR funzionante. Questa click board si basa su una soluzione a Op Amp, ed include gli ADC, resistori e condensatori, ed è pronta all’uso, per una facile prototipazione e valutazione. Una configurazione tipica per una facile prototipazione può essere quella di utilizzare la scheda PIR Click in combinazione Curiosity Nano Base for Click boards e Curiosity Nano Evaluation Kit di Microchip. Una soluzione di nodo sensore PIR può trarre vantaggio dall'utilizzo di un MCU come ATtiny1627 di Microchip Technology che dispone di un PGA e ADC differenziali a 12 bit. Il numero di componenti esterni può essere notevolmente ridotto eliminando la necessità di un amplificatore operazionale esterno per amplificare il segnale. Questo, oltre a un ADC esterno, consente di rimuovere anche molti altri componenti passivi, come resistori e condensatori.
Quindi, utilizzando un tale MCU, il layout PCB del PIR click può essere ridotto in modo significativo. La figura seguente illustra come rimuovere i componenti (X) e come creare nuove connessioni (linee blu). Nota: in questo esempio il PIR click viene utilizzato come base per le modifiche perché era più conveniente che progettare un nuovo PCB e acquisire i componenti necessari. Questa soluzione modificata non è in concorrenza con lo scopo delle schede Click.
Con queste modifiche, sfruttando l'ADC differenziale a 12 bit integrato e il PGA, sono realmente pochi i componenti esterni necessari quando viene selezionato l'MCU corretto, come evidenziato nella figura successiva.
Grazie al minor numero di componenti esterni, lo schema dell'hardware e del PCB risulterà più pulito e compatto, con meno problematiche hardware da gestire conseguenti alla necessità di posizionare i componenti esterni. Inoltre, il software e il firmware possono essere più compatti ed efficienti poiché un numero maggiore di attività viene gestito all'interno dell'MCU. Anche i tempi e la sincronizzazione saranno più facili e fluidi da gestire.
Quando gran parte della complessità della progettazione di nodi di sensori viene spostata dall'hardware all'MCU e alla CPU (central processing unit), e gestita nel firmware, diventa più agevole e flessibile modificare e aggiungere funzionalità durante il processo di sviluppo, senza perdere tempo a riprogettare il layout della scheda, il che fa risparmiare tempo e denaro ai progettisti. Diventa anche più conveniente ottimizzare il codice per altri fattori come il consumo di energia. La semplice modifica delle impostazioni dei parametri consentirà ai progettisti di apportare modifiche al codice dell'applicazione per aggiungere funzionalità oppure ottimizzare il codice stesso al fine di ridurre il consumo energetico o la correlata sensibilità alle condizioni ambientali, come le variazioni della temperatura ambiente, poiché i sensori possono avere difficoltà a rilevare la presenza di un essere umano quando la temperatura ambiente supera i 30 °C. Un altro esempio di funzionalità aggiuntive potrebbe essere l'aggiunta dell'apprendimento automatico allo scopo di riconoscere i modelli e schemi di movimento, per insegnare al sistema a separare ciò che è solo rumore da ciò che è una persona reale che si sta muovendo, o un animale, ecc. Per applicazioni di rilevamento del movimento, l’utilizzo di sensori PIR, e MCU come ATtiny1627, sposta la complessità del progetto dall'hardware al firmware e al software, poiché gran parte delle funzionalità richieste sono integrate nell'MCU. In questo modo la complessità viene ridotta mentre la flessibilità aumenta.
Un MCU per una massima efficienza energetica
Il consumo energetico dei nodi di sensori wireless è un aspetto fondamentale. Questo perché maggiore sarà la durata della batteria, maggiore sarà la durata del nodo sensore stesso, e quindi la durata dell'intero sistema di reti di sensori. Questo vale per tutti i sistemi di sensori wireless. Se vengono installati decine, centinaia o migliaia di sensori per diversi tipi di monitoraggio, il nodo sarà considerato morto o non funzionante se questo si spegne. Per i sistemi di sensori più grandi, la sostituzione di una batteria o del nodo stesso comporta un costo aggiuntivo per l'utente finale, oltre al fatto che, con il sistema inattivo o non completamente funzionante mentre il nodo è spento, possono verificarsi incidenti indesiderati senza che possano essere fornite notifiche. Pertanto, più a lungo potrà durare la batteria, meglio sarà.
A causa delle reiterate modalità di sospensione dell'MCU e del tempo di riattivazione rapido, ciascuno dei nodi di sensore può arrivare a consumare una quantità minimale di energia. In pratica il nodo può rimanere in modalità Sleep, quindi svegliarsi rapidamente quando viene rilevato un movimento a causa di una variazione di temperatura all'interno dell'intervallo del sensore, elaborare il segnale e quindi tornare in modalità di sospensione, prolungando la vita di ciascun nodo alimentato a batteria, senza che quest’ultima debba essere sostituita.
La figura precedente mostra come funziona la CPU quando si sfruttano le modalità di sospensione e il tempo di riattivazione rapida. Il consumo energetico dipende dall'applicazione, e varierà in base alla configurazione del sensore PIR, al tempo di acquisizione del campionamento, e ai parametri di filtraggio, che influenzeranno anche il campo di rilevamento e/o la sensibilità. È opportuno considerare la possibilità di regolare questi parametri al fine di ridurre ulteriormente il consumo energetico nei momenti in cui le richieste dell'applicazione sono inferiori.
Grazie all’offerta di caratteristiche e funzionalità integrate intelligenti e sofisticate, che migliorano il consumo di corrente e l'efficienza energetica, l'ingombro ridotto e i potenti MCU come ATtiny1627 aumenteranno la longevità delle applicazioni connesse alimentate a batteria, riducendo al contempo la complessità dello schema progettuale, i costi totali del sistema, e il time-to-market.
