Производственная компания из США занимается разработкой и выпуском устройств интернета вещей (IoT-устройств) для крупных коммунальных компаний, воплощающих в жизнь концепцию умного города. Ключевыми задачами компании являются: обеспечение надежности выпускаемых IoT-устройств и времени их автономной работы без замены аккумуляторной батареи в течение как минимум семи лет. Далеко не во всех критически важных элементах инфраструктуры умного города можно добиться подключения IoT-устройств к сети питания переменного тока, что вызывает необходимость обеспечить их автономное батарейное питание и минимизацию энергопотребления.

Многие из таких устройств имеют интерфейсы беспроводной передачи данных, размещаются в труднодоступных местах и потому работают без должного обслуживания. Решение даже одной прикладной задачи в инфраструктуре умного города может потребовать применения тысяч IoT-устройств, играющих роль датчиков. В этом случае преждевременная замена батарей может обойтись довольно дорого.

На этапе разработки опытных образцов проектируемых IoT-устройств упомянутый производитель столкнулся с серьезной проблемой, приводящей к ускоренному расходу ресурса батареи. Примерно половина всех опытных образцов в ходе испытаний показала большее энергопотребление, чем ожидалось, хотя в ходе лабораторных испытаний макетов потребляемая мощность была гораздо меньше. Производитель изо всех сил пытался определить причину проблемы, придерживаться при этом первоначального графика разработки продукции и не выходить за рамки бюджета.

Чтобы избежать ошибок в конструкции, приводящих к дорогостоящим дополнительным итерациям в цикле разработки, провальному выводу продукции на рынок или даже к отзывам партий серийной продукции, производителю потребовалось найти причины ускоренного разряда батареи. Для этого понадобилось специализированное измерительное оборудование, которое позволило бы с высокой точностью определить характер энергопотребления устройств в разных режимах функционирования (активный, бездействие, сон и ожидание).

Кроме того, компании требовалось провести испытания опытных образцов в реальных условиях эксплуатации с имитацией подключения к реальной сети передачи данных. Например, в зонах плохого покрытия или при неправильной конфигурации/реализации сети IoT-устройствам зачастую требуется больше попыток выхода в сеть для успешной передачи данных. В свою очередь, следствиями увеличения количества попыток передачи данных являются повышенное энергопотребление и быстрый разряд элементов питания.

В определении первопричины возникшей проблемы компания обратилась за помощью в KeysightTechnologies, где ей были предложены анализатор формы сигналов тока CX3324A и комплекс для тестирования средств беспроводной связи UXM. В анализаторах CX3324A применяются запатентованные технологии, обеспечивающие широкий динамический диапазон и высокую скорость измерений параметров электропитания, что позволяет с высокой точностью оценить все показатели энергопотребления устройств с питанием от батареи и проанализировать возможные причины утечек. Подходы к решению проблемы, предлагаемые конкурирующими фирмами, предполагают проведение множества измерений, в ходе выполнения которых можно упустить важные взаимозависимости. Метод, предлагаемый компанией Keysight, обеспечивает динамическую адаптацию к разным режимам работы устройства и расхода заряда батареи, что гарантирует наивысшую точность измерений параметров энергопотребления. Комплекс UXM предоставляет инженерам простой и надежный способ оценить соответствие характеристик радиочастотных трактов проектируемого устройства заданным требованиям в реальных условиях эксплуатации. Этот способ реализуется путем эмуляции сотовых сетей разных типов, включая CAT—M1 и NB—IoT.

Используя анализатор формы сигналов тока CX3324A, производитель быстро выявил проблему, связанную с использованием компонентов в цепях питания. Как оказалось, низкое энергопотребление, соответствующее запросам коммунальных компаний, требовало более жестких допусков на параметры элементной базы в цепях питания. Быстрые переходные процессы в общей шине питания, возникавшие при передаче данных, нарушали внутреннюю синхронизацию устройства (см. рис. 1).

 

Установив причину неполадок, производитель получил возможность быстро внести соответствующие доработки в конструкцию. Ему пришлось заменить некоторые элементы в цепях питания, что позволило устранить перекрестные помехи.

Используя комплекс UXM для имитации разных условий эксплуатации сети, включая периодически прерывающееся соединение, производитель выявил вторую проблему в опытных образцах. В большинстве возможных условий устройства вели себя как и ожидалось, за исключением случаев их работы в зоне плохого покрытия сотовой сети. В условиях нестабильного, постоянно прерывающегося соединения устройства многократно повторяли передачу данных, разряжая батарею более чем в 50 раз быстрее обычного. Внеся простые изменения в конструкцию, производитель пресек чрезмерно агрессивные попытки повторного подключения устройств к сети в условиях нестабильного соединения.

Используя анализатор формы сигналов тока и комплекс для тестирования средств беспроводной связи компании Keysight, производитель еще на стадии разработки опытных образцов до выхода изделий в серию выявил две проблемы, негативно влиявшие на продолжительность автономной работы проектируемых IoT-устройств с питанием от батареи. С помощью анализатора CX3324A были проведены измерения и анализ параметров электропитания, что помогло устранить перекрестные помехи по цепи питания и увеличить продолжительность автономной работы устройств на 50%. Эмуляция разных условий эксплуатации сотовой сети с помощью комплекса UXM позволила выявить и исправить дефект в конструкции, который значительно ускорял расход ресурса батарей. Поскольку дефект был выявлен до того, как устройства начали работать в полевых условиях, потенциально дорогостоящие отзывы партий серийной продукции были предотвращены, что сохранило компании миллионы долларов. Производитель не только вовремя поставил свои устройства, выполнив все требования заказчика и оставаясь в рамках запланированного бюджета, но и получил надежную и проверенную конструкцию IoT-устройств, которую можно адаптировать для нужд будущих заказчиков или решения других задач в рамках концепции умного города.

Старший инженер отдела исследований и разработок компании, выполнившей заказ, подытожил: «В силу того, что основным требованием заказчика являлась большая продолжительность автономной работы устройств, наша проблема с ускоренным разрядом батарей могла привести к срыву сделки. Решения Keysight помогли быстро устранить недостатки конструкции устройств, благодаря чему мы удовлетворили все требования клиента и смогли вовремя осуществить поставку готовой продукции в полной уверенности, что наши устройства будут работать в реальных условиях как положено».