gyorsan és biztonságosan a célegyenesben alkatrész-disztribútori támogatással

"Hol található?" Ez az a kérdés, amelyre a nyomkövető eszközök választ adnak, lett légyen szó akár úti célról, rakományról, járműről, geoládáról vagy netán egy festményről. A közös pont mindezen esetekben az, hogy a GSM- és GPS-modulok kötelező kellékei e rendszereknek, befolyásolva ezek funkcionalitását, értékét és teljesítményfelvételét, típustól és kombinációtól függően. A teljesítményfelvétel nemcsak a telepről üzemelő rendszereknél sarkalatos kérdés, hanem a hálózati táplálásúaknál is, hiszen a tápellátásban jelentkező eltérések, csúcsok stb. miatt ezeknél a nyomkövető rendszereknél is toleranciára lehet szükség. Teljesítményfelvétel tekintetében lehetetlen minden esetre érvényes választ adni, ezért a Rutronik mérések sorozatával igyekezett utánajárni a különféle eseteknek...

A mérések háttere
A mérési eredményekből az látszik, hogy a GSM modulok teljesítményigénye jelentősen függ a működési állapottól, és a stopállapotra jellemző 1 µA-től egészen az adási üzemmódra jellemző 2 A-es csúcsáramig többféle üzemmód előállhat. Az átlagértékek alkalmazásról alkalmazásra értelemszerűen eltérnek. Egy olajfestmény falon függését ellenőrző nyomkövető rendszer tipikus fogyasztása például mindössze néhány mikroamper, hiszen ideje döntő többségét készenléti állapotban tölti, adást pedig csak akkor kezdeményez, ha megszólal a riasztó. Ezen alkalmazás átlagfogyasztása GPRS class 10 szabványú adásvételnél 480 mA, kimeneti teljesítményszintje 2 W.
Mivel a teljesítménykövetelmények erősen változnak, ezek az átlagértékek csupán bizonyos mértékig hasznosak. Néhány alkatrészt úgy kell méretezni, hogy a fellépő csúcsértékekkel is elbírjanak, a termék optimalizálása teljesítményfelvételi szempontból pedig csak akkor lehetséges, ha minden egyes módra vonatkozóan rendelkezésre állnak mérési adatok. Ez az, amit a Rutronik e cikkben leírt kísérletében dokumentált az általa végzett mérések során. Az áramcsúcsokat a mérés alatt tárolóoszcilloszkóppal rögzítették, a 100 mΩ-os mérőellenállást pedig egy Telit GL865 Quad GPRS-modullal sorosan kapcsolták. A méréseket szándékosan úgy választották meg a cég szakemberei, hogy általános érvényességű adatokat nyerjenek, amelyek alapján az eszközfejlesztés során biztonsággal lehet döntéseket hozni.

A mérési eredmények és a tanulság

1. ábra. A Renesas RL78 mikrokontroller és néhány meg nem nevezett konkurensének 1 MHz-re jutó áramfelvétele

2. ábra. Az RL78 a 32 kHz-es módban mindössze 0,7 µA áramot vesz fel

3. ábra. Az RL78 stop-módban mindössze 0,52 µA áramot vesz fel

• Alvó üzemmód - 1 µA áramfelvétel: az igazán hatékonyan megtervezett alkalmazásoknál a stopmódbeli áramfelvétel még a telep önkisülésénél is kisebb mértékű. Az olyan mikrovezérlők, mint például az extrém alacsony fogyasztásra optimalizált Renesas RL78, MHz-enként mindössze 70 µA, stopmódban pedig 0,52 µA áramot vesznek fel. Ez utóbbi esetben a GPRS-modul kikapcsolásra és galvanikus leválasztásra kerül, a rendszer maximális működési élettartamát pedig ennek folytán elsősorban a telep önkisülése és a mikrokontroller fogyasztása határozza meg. Az 1., 2. és 3. ábrákon az RL78 mikrokontroller áramfelvételi jellegzetességei láthatók.
• GPRS-modul készenlétimód - 1,5 mA áramfelvétel: rövid szöveges üzenet, hanghívás, vonalkapcsolt adat vagy fax vételére. Ezen működési módban GPRS-kapcsolat felépítése nem lehetséges.
• GPRS-vételi mód - 21 mA áramfelvétel: kiépített kapcsolat egy internetes szerverrel.
• GPRS class 8 szabványú adásvétel - 230 mA áramfelvétel: fax küldése, hanghívás vagy adat továbbítása, vagy class 8 szabványú GPRS-kapcsolat akár 230 mA átlagos áramfelvételt jelent a GSM850/GSM900 frekvenciákon, maximális teljesítményszint mellett.
• GPRS class 10 szabványú adásvétel - 320 mA áramfelvétel: a GPRS-modul gyorsabb adásvételre képes class 10 szabványú adásvételnél, ám az átlagos áramfelvétel így közel kétszeres, kb. 360 mA
a class 8-hoz képest.
• GSM1800/GSM1900 - 1 A csúcs-áramfelvétel: az 1800 és 1900 MHz-es GSM-frekvenciákon a csúcsáram akár 1 A is lehet GPRS-adatkapcsolat esetén.
• GSM850/GSM900 - 2 A csúcs-áramfelvétel: a 850 és 900 MHz-es GSM-frekvenciákon a csúcsáram akár 2 A is lehet, amely felléphet SMS küldésekor vagy vételekor, vagy két bázisállomás közti átadás esetén is. Ajánlott a csatolásmentesítő kondenzátort a modul közelébe méretezni a 2 A-es csúcsáram miatt, illetve fontos a telepek és/vagy a DC/DC-átalakító impedanciájának figyelembevétele.
• Gyenge antennateljesítmény - >2 A áramfelvétel: néhány GSM-modul áramfelvétele akár 2 A fölé is kúszhat, ha a gyenge antennateljesítmény miatt kompenzációra van szükség. A bázisállomásnak az adó részéről ugyanis nagyobb adó kapacitásra van szüksége, ha az antennaveszteségek túlságosan nagyok, ezért végeredményben a rossz antennateljesítmény pluszfogyasztást eredményez. A fejlesztés során tehát nagy jelentősége van a megfelelő antennatervezésnek.

4. ábra. Teljesítményfelvétel kapcsolat-felépítés közben: áramcsúcsok jelentkeznek egy, négy vagy több másodpercen keresztül

A Rutronik egyik szakértője, Harald Naumann kiemelte, hogy a mérések nagyon jól reprezentálják a különbségek mértékét, hiszen jól látszik belőlük, hogy 1 µA és 2 A között gyakorlatilag bármilyen köztes érték elképzelhető. A mérési eredményekből tisztán látszik az is, hogy pusztán egy GSM-hálózatra csatlakozáshoz mennyi energiára van szükség. A 4. ábrán egy nyomkövető eszköz teljesítményfelvételi görbéje látható, amelyet a bekapcsolás és PIN kód beütését követően vettek fel. Jól látszik, hogy számos, 2 A-es csúcs-áramfelvételt igényel az eszköz, amelyek rövid szünetenként ismétlődnek. Ennek oka nem más, mint a megismételt keresés új bázisállomás után, mivel az első megtaláltak nem rendelkeztek szabad kapacitással az adott pillanatban. A korábban leírtaknak megfelelően a csúcs-áramfelvétel 2 A-re rúg, az átlagos áramfelvétel pedig 230 mA körül alakul. A kísérleti összeállításban 2 A-es csúcsokat összesen mintegy 4,5 másodpercig mértek, erre az időre a teljes fogyasztás tehát (230 mA)×(4,5 s) = 1035 mAs. Ha a kapcsolatfelépítés 1 s alatt végbement volna, csak (230 mA)×(1 s) = 230 mAs fogyasztást jelentett volna.

A GPS-modul működési módjai
E fejezetben a GPS-modulok működési állapotait tekintjük át fogyasztás szempontjából. A számos energiatakarékos működési mód közül csak a SiRFaware nevűvel foglalkozunk. GPS-alapú helymeghatározó rendszereknél evidens, hogy a pontosság a használt GPS-csatornák számával arányosan nő, azonban ez igaz a teljesítményfelvételre is, bár a helymeghatározáshoz használható GPS-műholdak száma a Föld gömbszerű alakja miatt korlátozott. A legújabb helymeghatározó rendszerek egy időben akár tizenkettő, különböző műholdas rendszer jeleinek együttes feldolgozására alkalmasak. Európában jelenleg a GPS és a Glonass érhető el, a közeljövőben azonban a Galileo is csatlakozik a sorhoz.
• GPS - 58 mW teljesítményfelvétel: az 58 mW teljesítményfelvétel 3,8 V feszültségen 15 mA áramigényt jelent. A fogyasztás csökkentésének egyik legfontosabb módja nem más, mint a kezdeti pozíciómeghatározáshoz szükséges idő csökkentése. Ebben az internetes adatkapcsolat alapján működő A-GPS¹ jelent nagy segítséget. A Fastrax gyártmányú GPS-modulok erre a célra ingyenesen férhetnek hozzá a Fastrax A-GPS szervereihez, így elősegítve a kezdeti pozícióbehatároláshoz szükséges idő és a fogyasztás csökkentését.
• SiRFaware - 500 µA áramfelvétel: az olyan alkalmazásoknál, ahol gyakori GPS-pozíciófrissítés kell, a SiRFaware használata erősen ajánlott. Ez a megoldás a csillagászati idő (efemerisz) adatokat a háttérben tölti le, és ezzel párhuzamosan szinkronizálja a valós idejű óráját. Végeredményben ez átlagosan 500 µA áramfelvételt jelent, amely jelentős energiamegtakarítás a SiRFaware nélküli üzemeltetéshez képest, ha a pozicionálás hosszabb időt vesz igénybe.
• GPS/Glonass - 150 mW teljesítményfelvétel: az olyan alkalmazásoknál, amelyeknél jellemzően kulcsfontosságú helyzetekben nagy megbízhatósággal kell adatokat szolgáltatni, az energiahatékonyság kisebb súllyal esik latba. Ilyen esetekben mindenképpen érdemes fontolóra venni a nagyobb energiaszükséglet elfogadását. Így, kombinált GPS/Glonass-modul használatakor (mint például a Fastrax IT600), a műholdvételhez használt, aktív csatornák számával arányosan nő az energiafogyasztás is, amellyel párhuzamosan természetesen a pozicionálás pontossága is nagyobb. Párhuzamosan akár 32 csatorna használható helymeghatározásra e modulnál, a Rutronik párizsi tesztjénél konkrétan 21 műhold jeleinek párhuzamos vétele volt lehetséges. Az IT600 a Galileo műholdas rendszer jeleinek vételére is alkalmas, így a 32 csatorna mindegyike kihasználható, amint a teljes Galileo működésre készen áll, hovatovább a modul nemcsak az amerikai GPS-, az orosz Glonass- és az európai Galileo-, hanem a japán QZSS-, a kínai Compass- és valamennyi SBAS-rendszer jeleinek feldolgozására is alkalmas.
A GPSvagy GNSS² modul, az A-GPSvagy A-GNSS³-technológia, valamint a megfelelő energiatakarékossági módok kiválasztása közvetlenül befolyásolja a nyomkövető rendszer teljesítményfelvételét és rendelkezésre állási idejét. Naumann szerint ez minden, csak nem triviális probléma, hiszen nincs minden célra alkalmas modul és energiatakarékossági stratégia sem. Ezáltal a fejlesztéskor érdemes azzal kezdeni, hogy feltesszük magunknak a következő kérdéseket:
• Elegendő-e csak GPS-támogatású GNSS-modult használni, vagy szükség lesz Glonass- és/vagy Galileo-támogatásra is?
• Szükséges-e, van-e értelme A-GPS-rend­szer építésének?
• Van-e szükség giroszkóp, gyorsulásmérő, nyomásszenzor, magnetométer, sebességmérő stb. csatlakoztatására szolgáló interfészre?
• Szükséges-e mindenekelőtt egy megfelelő prototípust kifejleszteni annak érdekében, hogy teszteljük a pozicionálás szempontjából leghasznosabb szenzorokat?
• Hasznos-e az öt energiatakarékossági mód bármelyike az alkalmazás szempontjából, és ha igen, akkor melyik?
• Melyik antenna az ideális választás?

Ha e kérdések mindegyikére megvan a válasz, érdemes áttérni a GSM/GPRS-modult érintőkre:
• Elegendő-e csak a GSM-támogatás?
• Szükség van-e GPRS-támogatásra?
• Lehetséges-e az USSD⁴ implementálása a kisebb energiafelhasználás érdekében?
• Hogyan lehet rendszerünket kompatibilissé tenni az SAR, az európai R&TTE, az amerikai FCC és PTCRB, az európai ATEX, vagy a brazil Anatel szabványokkal?
• Melyik energiaellátási koncepció és teleptípus a megfelelő választás az alkalmazásra?
Ez az összetett döntési kényszer a vezeték nélküli hálózatok tervezésében kellő tudás és tapasztalat nélküli fejlesztőket hamar félrevezetheti. A Rutronik, mint disztribútor, tapasztalt termék- és alkalmazási szakértőkkel áll rendelkezésre, akik gyorsan és biztonságosan a célegyenesbe vezethetik a támogatást igénylő fejlesztőket.

1: Assisted GPS: támogatott GPS
2: Global Navigation Satellite System: globális, navigációs célú, műholdas rendszer
3: Assisted GNSS: támogatott GNSS
4: Unstructured Supplementary Service Data: GSM protokoll, amely üzenetalapú, kétirányú adatcserét támogató kommunikációt valósít meg.

A Rutronik honlapja