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, ION, в mA
- Время во включенном состоянии, TON, в секундах
- Среднее потребление в состоянии покоя, IOFF, в нА
- Время в состоянии покоя, TOFF, в секундах
Желающие могут рассчитать самостоятельно в табличном процессоре. Данные в ячейках B9…B13
Battery capacity, mAh
B9=240
I on, mA
B10=3,376
T on, s
B11= 0,03
I off, nA
B12=269,75
T off, s
B13= 59,97
Battery life, лет
=B9/((B10*B11+B12*B13×0,000001)/(B11+B13))*0,85/8760
Battery life получилось 11,89
TOFF, полностью контролируется конечным пользователем т.к. в данном случае система для измерений просыпается каждую минуту и TOFF = 1 минута — TON. На минимальное время TON почти не может влиять пользователь т.к. оно определяется временем необходимым для включения системы, выполнения измерения, передачи радиопакета и выключения системы.
IOFF 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 (2×16- или 1×32 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 |
|
| 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.
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:
