Was beeinflusst den Energieverbrauch und die Batterielebensdauer bei Funksystemen?

Die Funktechnik bietet einen grossen Vorteil – man kann Geräte und Systeme ganz ohne Kabel steuern. Um den Vorteil der kabellosen Datenübertragung auch wirklich nutzen zu können, erfolgt die Speisung von Handgeräten und Sensoren ebenfalls ohne Kabel, zum Beispiel durch Batterien oder Akkus. Da die Geräte aber meistens möglichst klein und leicht sein sollten, dürfen auch die Batterien oder Akkus nicht beliebig gross ausgelegt werden. So muss mit der zur Verfügung stehenden Energie sorgsam umgegangen werden, um eine für den Benutzer akzeptable Batterielebensdauer zu erreichen. Wir zeigen Ihnen in diesem Blogbeitrag auf, welche Faktoren dabei beachtet werden müssen, um einen möglichst geringen Energieverbrauch zu erzielen und trotzdem den Anforderungen der Funkübertragung gerecht zu werden.



Um eine hohe Batterielebensdauer zu erreichen, muss bereits beim Hardwaredesign auf einen geringen Energieverbrauch geachtet werden. Wichtig ist, dass möglichst alle Komponenten abgeschaltet oder in einen Stromsparmodus versetzt werden können, in welchem die Stromaufnahme nur noch wenige Mikroampere oder weniger beträgt. Die Schaltungsteile werden nur aktiviert, wenn diese auch wirklich benötigt werden. Ist Beispielsweise die Funkübertragung inaktiv, kann der Funkteil deaktiviert werden.

Die Optimierung der Batterielebensdauer ist häufig ein Kompromiss zwischen geringem Energieverbrauch und der Performance der Funkübertragung selbst. Somit ist die Überlegung, wie weit die Performance der Funkübertragung reduziert werden darf sehr zentral und von Fall zu Fall unterschiedlich. Folgende Anforderungen haben unter anderem Einfluss auf diese Überlegungen:

  • Geforderte Reaktionszeit des Systems
  • notwendige Datenpunkte pro Zeiteinheit
  • maximal benötigte Reichweite
  • maximal erlaubte Nachlaufzeit einer Maschine beim Loslassen eines Totmannschalters
  • weitere Sicherheitsanforderungen


Folgende Faktoren beeinflussen den Energieverbrauch, aber auch gleichzeitig die Performance der Funkübertragung:

  • Wiederholrate / Wake on Radio
  • Sendeleistung
  • Datenrate
  • LED- /Displayanzeigen


Wiederholrate

Bei den meisten Funksystemen wird die Information wiederkehrend in Datenpaketen übertragen. Bei einem Temperatursensor beispielsweise wird die Temperatur in einem bestimmten Abstand übertragen, damit der Empfänger eine möglichst aktuelle Temperatur zur Verfügung hat. Je öfter die Information übertragen wird, desto höher ist die Wiederholrate. Die Wiederholrate der Information, ist ein sehr zentraler Faktor für den Energieverbrauch. So kann beispielsweise ein Sensor zwischen der Übertragung der Datenwerte den Funkteil und evtl. auch den Mikrocontroller abschalten, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten. Aus diesem Grund muss überlegt werden, wie gross die Lücke zwischen den einzelnen Übertragungen maximal sein darf, damit das System in jedem Fall noch korrekt funktioniert.

Überträgt beispielsweise ein Sensor die Raumtemperatur an eine Zentrale, so wird sich diese Temperatur nicht innerhalb einer Minute um mehrere Grad Celsius verändern. Somit muss die Temperatur auch nicht allzu oft übermittelt werden. Handelt es sich jedoch um einen Handsender, welcher eine Maschine steuert, die bei Ausfall der Funkübertragung innerhalb einem Bruchteil einer Sekunde stoppen soll, muss die Wiederholrate entsprechend hoch gewählt werden.

Bei Bidirektionalen Systemen wird nach der Übertragung der Information der Funkteil nicht direkt abgeschaltet, sondern noch kurz gewartet, um die Antwort der Zentrale zu empfangen. Die restliche Zeit zwischen den Funkübertragungen kann der Funkteil abgeschaltet werden, um den Energieverbrauch tief zu halten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Sensor für die Zentrale jeweils nur direkt nach der Übertragung eines Datenpaketes erreichbar ist. Ist die Wiederholrate sehr klein, ist dies möglicherweise nicht ausreichend. In diesem Fall kann es Sinn machen, eine Funkübertragung mit Wake on Radio einzusetzen.


Wake on Radio

Es gibt Funkanwendungen, in welchen Sensordaten nicht konstant an eine Zentrale übermittelt werden, sondern der Benutzer die Daten manuell über ein Auslesegerät ermittelt. Es gibt auch Anwendungen, bei der die Zentrale nur sporadisch Daten benötigt und diese somit entsprechend beim Sensor anfordert. Werden die Sensordaten nur sporadisch und nicht voraussehbar benötigt, macht ein fixes Übertragungsintervall keinen Sinn. In diesem Fall kann ein Funksystem mit Wake on Radio eingesetzt werden:

Beim Wake on Radio sendet das Auslesegerät eine sehr kurze Aktivierungssequenz um den Sensor „aufzuwecken“. Beim Sensor wird der Funkteil in einem fixen Intervall kurz aktiviert, um zu prüfen, ob eine Funkübertragung erkannt wird. Bei einer erkannten Funkübertragung wird die Aktivierungssequenz fertig empfangen. Ist die Aktivierungssequenz korrekt, wird der Sensor aktiviert und anschliessend die Information vom Auslesegerät empfangen. Diese Information enthält auch die Adressierung des Sensors. Ist die Adressierung korrekt, werden anschliessend die entsprechenden Sensordaten ans Auslesegerät gesendet. Um den Zeitschlitz des Wake on Radio zu treffen, muss das Auslesegerät die Aktivierungssequenz für eine gewisse Zeit sehr oft wiederholen. Der Vorteil des Wake on Radio ist, dass der Funkteil für die Aktivierungssequenz jeweils nur sehr kurz aktiviert werden muss. Erst nach einer Aktivierungssequenz wird der Funkteil für ein ganzes Datenpaket aktiviert.

Wake on Radio

Die Anwendung von "Wake on Radio" anhand eines Beispiels. 


Sendeleistung

Wird die Sendeleistung verringert, kann dadurch der Energieverbrauch der Funkübertragung reduziert werden. Dadurch wird jedoch auch gleichzeitig die Reichweite der Funkstrecke verringert. Somit darf die Sendeleistung nur reduziert werden, wenn keine hohe Reichweite gefordert ist.

Bei einer bidirektionalen Funkübertragung besteht die Möglichkeit, dass der Sender mit der Antwort Informationen über die Qualität der aktuellen Übertragung erhält. Somit weiss der Sender, mit wieviel Reserve das Signal mit der aktuellen Sendeleistung empfangen werden kann. Dadurch kann der Sender bei genügender Reserve die Sendeleistung soweit reduzieren, dass eine sichere Funkübertragung noch gewährleistet werden kann. Bleibt die Antwort aus, wird wieder mit der maximalen Sendeleistung gesendet, um die Übertragung möglichst schnell wiederherzustellen.


Datenrate

Wird die Datenrate (Übertragungsgeschwindigkeit) erhöht, kann dieselbe Information in kürzerer Zeit übertragen werden, wodurch der Funkteil weniger lang aktiv sein muss. Dies spart wie beim Wiederholintervall Energie. Durch die höhere Datenrate wird jedoch die Reichweite des Funksystems reduziert. 

Auch bei der Datenrate ist es denkbar, diese dynamisch je nach geforderter Reichweite umzustellen. Dies ist jedoch heikler als bei der Sendeleistung. Sind die Geräte des Systems durch eine Fehlumschaltung nicht mehr auf derselben Datenrate, verstehen sich diese gar nicht mehr. Somit muss bei einem Verbindungsunterbruch immer wieder auf die tiefste Datenrate zurückgekehrt werden, um die Verbindung mit der grössten Wahrscheinlichkeit wiederherstellen zu können.


LED- /Displayanzeigen

Ein erstaunlich hoher Anteil der Energie wird jeweils für die Anzeige mittels LED’s oder beleuchtetem Display verbraucht. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, LED-Anzeigen blinkend und nicht mit Dauerleuchten zu realisieren. Wird anstelle von Dauerleuchten mit 50%-Ein und 50%-Aus geblinkt, wird logischerweise auch 50% weniger Energie für die LED-Anzeige benötigt. Zu beachten ist, dass eine blinkende Anzeige zu einem Rippel auf der Speisung führen kann, dies wirkt sich möglicherweise negativ auf die Funkübertragung aus.

Weiter kann es sinnvoll sein, die Helligkeit der Anzeigen der Umgebungshelligkeit anzupassen. Dazu wird jedoch ein Helligkeitssensor benötigt, welcher entsprechend die Produktionskosten des Gerätes erhöht.


In unseren Projekten ist die Forderung nach einem geringen Energieverbrauch und demzufolge einer hohen Batterielebensdauer allgegenwertig. Somit konnten wir die entsprechenden Massnahmen bereits in vielen unterschiedlichen Anwendungen erfolgreich umsetzen. Unter anderem haben wir Sensoren entwickelt, welche eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren erreichen. Die Speisung erfolgt dabei durch zwei gewöhnliche AA Alkaline Batterien. Somit können wir diese Erfahrung auch in zukünftigen Projekten erfolgreich einbringen.

 


Ihr Autor

U. Stöckli
Entwicklung
Elektroingenieur FH (BSc in Elektrotechnik)

T +41 41 494 07 05

U. Stöckli