השפעת הרעש הנמוך על חיישנים חכמים של IoT

לגבי מפתחי מושגים של חיישנים חכמים עבור יישומי IoT, לעיתים הביצועים הטובים ביותר ופיזור הרעש הנמוך ביותר עשויים לנבוע מאותו החיישן.
ביצועים לעומת פיזור ההספק – היא אחת הפשרות העדינות ביותר עבור מפתחי חיישנים חכמים בשביל מרחב היישומים המתפתח המבוסס על IoT. בתוך הספקטרום הרחב של “ביצועים”, רעש הוא לעתים קרובות תכונה חשובה שיש להעריכה, מאחר שהיא יכולה לכלול בחירת רכיבים עבור גושים פונקציונאליים עיקריים בחיישן חכם, אשר בתורו עשוי להגדיל את עומס ההספק. בנוסף, התנהגות הרעש יכולה לעורר דרישות של סינון, בעלות השפעה פוטנציאלית על תגובת החיישן לשינויים מהירים בתנאים והרחבת הזמן הדרוש כדי לפתח מדידה איכותית.
1116_CTE_ADI_Looney_TABLEביישומים התומכים בהבחנה מתמדת (דגימה, עיבוד, תקשורת), אדריכלי המערכת צריכים לעתים קרובות לפעול תוך קשר עוין בין הרעש וההספק. אופיינית, הפתרונות בעלי הרעש הנמוך ביותר הם לעתים רחוקות מאלה המציעים גם את ההספק הנמוך ביותר (בתוך סוג תפקודי מסוים של התקנים).
לדוגמה, מדי-תאוצה MEMS משמשים לרוב כחיישני ליבה במערכות מדידת ההטיה (tilt). הטבלה מכילה את העיקר משני מוצרים שונים המציעים ביצועים גבוהים ברעש או בהספק: ה-ADXL355 (רעש נמוך) וה-ADXL362 (הספק נמוך).

השוואה בין מדי-תאוצה MEMS
שלוש מתוך ארבע הכניסות בטבלה מייצגות אופני פעולה שניתנים לבחירה ב-ADXL362, בשעה שהרביעית מייצגת את מדד המפתח עבור ה-ADXL355. החל מגבולות המפתח של מרווח זה, ה-ADXL355 מציע קרוב לפי 27 פעמים פחות רעש מאשר מצב ההספק הנמוך ביותר ב-ADXL362, אולם בהרבה יותר פיזור הספק. עבור יישום שיש לו דרישות לביצועים יותר מאתגרים, העשויים לדרוש שיקול של מצב הביצועים הגבוה ביותר ב-ADXL362, הרעש של ה-ADXL355 יהיה תשע פעמים נמוך יותר, בשעה שפיזור ההספק של ה-ADXL362 יהיה פי 13 נמוך יותר.
כאשר תומכים ביישום שלא ידרוש הבחנה ומדידות רצופים, הקשר בין פיזור ההספק הממוצע והרעש הופך ליותר מעניין. הקשר בין רעש ופיזור ההספק יכול אף להיות למשלים, דבר שייראה מעט מפתיע עבור אחדים.
עבור אחרים, אולם, זוהי בשורה טובה, כאשר תכנונים מהדורות הקודמים עשויים להיות מעוקבים בשעה שהמפתחים מתאמצים לקבוע אם הספק או ביצועים ישלטו על התכנונים שלהם. כעת, יותר מאשר להמתין שמישהו אחר יענה לשאלה ישנה זו, אדריכלי החיישן החכם לוחצים להגדיר מחדש את העבודה שלהם על-ידי כימות אופציות רלוונטיות בתוך מרווח מסחר זה, בעצמם.

ארכיטקטורה של חיישן חכם
כימות האופציות הרלוונטיות עבור יישום מסוים מתחיל בביצוע הנחות אחדות אודות שרשרת האותות, כך שהדבר יכול להתחיל עם ארכיטקטורה מושגית. איור 1 מספק דוגמה גנרית של ארכיטקטורת חיישן חכם, אשר כוללת את הפונקציות המקובלות ביותר:

חיישן הליבה
שרשרת האותות בצומת של חיישן חכם מתחילה עם פונקציית חיישן הליבה. בצורה הבסיסית ביותר שלו, חיישן הליבה ידוע גם כמתמר, המתרגם מצב פיסיקאלי או תכונה לאות חשמלי מייצג. גורם המידה של מתמר מייצג את הקטע הליניארי של התגובה החשמלית שלה אל התכונה הפיסיקאלי או התנאי שהוא מנטר. לדוגמה, חיישן טמפרטורה עם מוצא אנלוגי דוגמת ה-AD590, יציע קנה מידה ביחידות של mV/0C. מד תאוצה דיגיטלי, כגון ה-ADXL355, יציע את קנה המידה שלו במונחים של LSBs/g או codes/g.

מסנן
היחידה הפונקציונאלית הבאה בשרשרת האותות היא המסנן. המטרה של דרגה זו היא להקטין את הרעש מתחומי תדר שחיישן הליבה יכול לשאת, אך אינם רלוונטיים ביישום. ביישום של ניטור-רעידה, זה יכול להיות מסנן מעביר פס המפריד רעידה אקראית מחתימה ספקטראלית מסוימת שיכולה להצביע על התדרדרות של בריאות המכונה. בחיישן הטיה, זה יכול להיות מסנן מעביר נמוכים פשוט דוגמת הממוצע הרץ. במקרה זה, אורך הזמן מהווה פשרה חשובה בין זמן ההסדרה והרעש השיורי במוצא המסנן.
איור 2 מציע דוגמה של עקום Allan Variance עבור ה-ADXL355, המציג את אי-הוודאות (רעש) של מדידה ביחס לזמן המיצוע היוצר את המדידה הזו.

כיול
המטרה של פונקצייית הכיול היא לשפר את דיוק המדידה, בעזרת שימוש בנוסחאות תיקון. ביישומים המחמירים ביותר, נוסחאות תיקון אלה נובעות מהסתכלות ישירה של תגובות החיישן, בשעה שהן מודדות תנאים מבוקרים היטב. לדוגמה, ביישום של חיישן הטיה, תהליך הכיול יכלול הבחנה של מוצא מד-התאוצה MEMS בכיוונים שונים אחדים, ביחס לכוח המשיכה של האדמה.
המטרה הכללית של הבחנות אלה תהיה לבחון את תגובת החיישן בכיוונים מספיקים כדי לפרט את כל 12 גורמי התיקון (M11. M12, M13, M21, M22, M23, M31, M32, M33,bx,by,bz) ביחס הבא:

גורמי התיקון במשוואה 1 מתייחסים לשגיאות בממתח, רגישות וכיוון. נוסחה זו ניתנת להרחבה כדי לכסות התנהגויות חיישן מסדר גבוה יותר (אי-ליניאריות) או קשרים סביבתיים (טמפרטורה, רמת ההספקה).

עיבוד נתונים
פונקציית עיבוד הנתונים מתרגמת נתוני חיישן מכוילים ומסוננים לתוך תוצאת מדידה התומכת טוב ביותר את היישום. במערכת ניטור רעידות, זה יכול להיות המרה root mean square (RMS) ל-dc או fast Fourier transform (FFT) עם אזעקות ספקטראליות (ראה (ADIS16228. ביישום של חיישן הטיה, החיישן החכם יתרגם תגובות לכוח המשיכה מבוססות על תאוצה להערכות של זווית הכיוון, תוך שימוש במשוואות 2, 3 או 4:

שלוש נוסחאות אלה מציגות הערכות של הטיה בעזרת מדידת מד התאוצה עם אחת, שתיים ושלוש מדידות בהתאמה, בהנחה של נציבות מושלמת בין כל אחד ממדי-התאוצה.

תקשורת/אכסון
פונקציית תקשורת/אכסון תומכת בדירוג נתונים וקישוריות עם כל שירותי הענן IoT (הצפנה/אבטחה, אכסון וניתוח).

פעולה במחזור הספק (power-cycling)
פונקציית ניהול ההספק (power management – PM) מספקת שלוש פונקציות שונות עבור חיישן חכם אופייני. הפונקציה הראשונה של ה-PM היא לנהל את כל דרישות רצף ההספק עבור כל הרכיבים בשרשרת האותות. הפונקציה השנייה של ה-PM היא להמיר את ההספקה ממקור האנרגיה לתוך מתח(ים) התומכ(ים) בפעולה מיטבית בכל הרכיבים בשרשרת האותות. לבסוף, במערכות בעלות מרווחי מדידה סדורים, מערכת ה-PM מספקת תזמון לתיחול כל אירוע מדידה.
פעולה במחזור הספק היא דרך מקובלת לזהות סוג זה של פעולה לא-רציפה בצומת של חיישן חכם. על-ידי המתנה במצב של הספק נמוך (או הספק אפסי) בין אירועי מדידה, טכניקה זו מסייעת לשמור על אנרגיה בחיישן החכם. איור 3 מציג את פיזור ההספק הרגעי על-פני מחזור מדידה שלם עבור חיישן חכם המשפיעה כל טכניקה זו.
משוואה 5 מספקת קשר פשוט לשם הערכת פיזור ההספק הממוצע (PAV), תוך שימוש בתכונות התפעוליות מאיור 3:

כאשר:
*PON הוא פיזור ההספק הממוצע בצומת החיישן החכם כאשר הוא דוגם ומעבד נתונים כדי ליצור ולהעביר תוצאת מדידה רלוונטית.
POFF הוא פיזור ההספק הממוצע שצומת החיישן החכם דורש כדי לתמוך באופן ה”שינה” בעלת הספק נמוך.
tON הוא הזמן שלוקח לחיישן החכם להדליק, ליצור תוצאת משישה, לתקשר את התוצאה לענן ה-IoT ולכבות שוב.
tOFF הוא הזמן שהחיישן החכם נמצא בשינה (אופן שינה או כיבוי מוחלט).
T הוא זמן המחזור הממוצע למדידה

תהליך המדידה
במשך זמן הפעולה שלו (tON), חיישן חכם יפעל אופיינית דרך כמה מצבי פעולה שונים. איור 4, ביחד עם משוואה 6, מציע רצף של דוגמה המחלק את זמן הפעולה לארבעה קטעים שונים: ייזום, שיקוע, עיבוד וקשר.

כאשר:
t1 הוא זמן הייזום, המייצג את הזמן בין הפעלת ההספק (VSP) והזמן בו כל רכיב בשרשרת האותות מוכן לתמוך בדגימת הנתונים ועיבודם.
tS הוא זמן השיקוע, המייצג את הזמן בין דגימת הנתונים הראשונה והזמן בו מוצא המסנן (VSM) שקע לרמה מספקת של דיוק.
tP הוא זמן העיבוד, המייצג את הזמן הדרוש כדי ליצור את תוצאת המדידה, אחרי שיקוע המסנן. דבר זה יכול לכלול יישום של נוסחאות כיול, עיבוד אותות ספציפי-ליישום והצפנת הנתונים עבור פרוטוקול האבטחה של ה-IoT.
tC הוא זמן ההתקשרות, המייצג את הזמן הדרוש לחיבור עם שירותי הענן, שיגור הנתונים המוצפנים, ותמיכה בכל בדיקת שגיאות או שירותי אישרור.

השפעת זמן השיקוע
תוך שימוש בקיטוע של השלבים השונים במחזור מדידה (שוב איור 4), זמן השיקוע של המסנן הוא שטח ברור בו הרעש עשוי להשפיע על פיזור ההספק בצומת של מחזור-הספק של חיישן חכם.
ככלל, ההפחתה בגודל הרעש הבאה מהמיצוע יחסית לשורש הריבועי של זמן המיצוע, בעוד העלייה בצריכת האנרגיה יחסית ישר לזמן המיצוע. לכן, הקטנה של גודל הרעש בגורם של 10 תגרום שצריכת ההספק (במשך שיקוע המסנן) תגדל בגורם של 100! סוג זה של פשרה לא יחסית יכול להעניק יתרון לחיישן הדורש את הכמות הקטנה ביותר של סינון (רעש הנמוך ביותר).

דוגמה של יישום
עיין בפלטפורמת אנטנת המיקרוגל באיור 5, המונחת על פלטפורמה של מגדל. בסוג זה של מערכת תקשורת, אמינות חיבור הנתונים תלויה בדיוק של זווית ההצבעה. שמירה על זווית ההצבעה עשויה לדרוש כיול ידני, במיוחד לאחר רעידות-אדמה והפרעות אחרות על הפלטפורמות עליהן מונחות אנטנות אלה.
סוג זה של תחזוקה מרחוק עשוי להיות יקר ומוגבל בזמן התגובה. לכן, מפעיל אנטנה אחד חוקר את היתכנות שבשימוש במדי-תאוצה MEMS כדי לנטר שינויים בכיוון גוף האנטנה כחלק מאסטרטגיית התגובה על התחזוקה שלהם.
אדריכל המערכת מתחיל את המחקר הזה עם הדרישה הפונקציונלית הבסיסית ביותר שלהם: לקיים תקשורת אמינה בכל פלטפורמה של אנטנה. במערכת זו תקשורת נתונים אמינה דורשת שזווית ההפניה של האנטנה תהיה בתוך רוחב הקרן של מחצית ההספק של האנטנה (half-power beam width – HPBW) (איור 5,שזוב) בכל זמן. לכן, הם קובעים שהם היו רוצים לתחל ביקור של התחזוקה כאשר כיוון האנטנה משתנה ב-25% של ה-HPBW של האנטנה במהלך פרק זמן קצר.
בתוך תקציב השגיאה לתמיכה במטרה זו, הארכיטקט מאפשר שרעש השיא במדידת ההטיה יהיה 10% ממטרת המדידה (25% מה-HPBW). לשם פשטות, הארכיטקט גם מציב את ערך השיא של הרעש להיות שווה לפי שלוש גדול יותר מערך ה-RMS של הרעש. משוואה 7 לוכדת את כל המבואות המגדירים האלה ומפשטת אותה לתוך קשר אחד, הקובע פשוט שהרעש במדידת ההטיה צריך להיות 120 פעם נמוך יותר מאשר ה-HPBW.

כדי לקשר את דרישת רעש הזווית הזו למדידת הביצועים הדומה במד-התאוצה MEMS, משוואה 8 נובעת מחיבור התוצאה של משוואה 7 לתוך נוסחת מד-התאוצה להטיה הבסיסית במשוואה 2.

כך שעבור אנטנה בעלת HPBW של 0.7 מעלות, הרעש במד-התאוצה צריך להיות פחות מ-100µg כדי לעמוד בשיקולי הקיום:

תוצאה זו קובעת את המדידה שיש להשתמש בה כדי לקבוע את כמות זמן המיצוע שכל חיישן מועמד (ראה טבלה) ידרוש, כדי להשיג 100 µg של אי-ודאות במדידה. שוב, איור 2 מגלה שה-ADXL355 ידרוש זמן מיצוע של ~0.01 שניות (ts355=0.01; משוואה 10) כדי להגיע מתחת לרמה זו.

לשם הערכה מהירה, ניתן להניח שמאחר שהרעש של ה-ADXL362 הוא תשע פעמים גדול מה-ADXL355, יידרש זמן מיצוע פי 81 גדול יותר מזה של ה-ADXL355 ts362=81xts355) משוואה 11) כדי להשיג את אותה המטרה. משוואה 10 מכילה את צריכת האנרגיה הנובעת מזמן התצוגה ב-ADXL355 ומשוואה 11 מכילה את צריכת האנרגיה הנובעת מזמן השיקוע של ה-ADXL362 (ראה טבלה).

בצורה אירונית, צריכת האנרגיה הנמוכה ביותר עבור רמה זו של ביצועי הרעש באה מהשימוש במד-התאוצה בעל הרעש הנמוך ביותר, ולא מד-התאוצה בעל ההספק הנמוך ביותר! משוואה 12 מחלקת את אומדני האנרגיה עבור כל חיישן במשוואות 10 ו-11 על-ידי מרווח המדידה (T= 10 שניות), כדי להעריך את תרומת זמן השיקוע לפיזור ההספק.

סיכום
דיון מפורט זה גילה תרחיש מסוים, בו פיתרון ההספק הנמוך ביותר בא משימוש בחיישן הליבה בעל הרעש הנמוך ביותר, ולא זה המספק את פיזור ההספק הנמוך ביותר. עבור אלה המפתחים מושגי חיישנים חכמים עבור הסוג המתפתח של יישומי IoT בעלי דרישות ביצועים מחמירות וגישה מוגבלת למקורות אנרגיה, סוג זה של נתיב פיתרון עשוי להוות שעור חשוב.
במהות, פתרונות חכמים עשויים להיות זמינים עבור אלה המבקשים להבין קודם, ואחר כך לאתגר אף את הפרדיגמות הבסיסיות ביותר. לעתים, הביצועים הטובים ביותר ופיזור ההספק הנמוך ביותר עשויים לנבוע מאותו חיישן.

Mark Looney, Analog Devices

תגובות סגורות