Zigbee: Alimentando el mote

Salto una vez más de tema, mucho trabajo, poco tiempo y la parte del snifer y los paquetes requiere de una concentración que no tengo, volveré más adelante. 

Uno de los principales motivos por los que nos decantamos por esta tecnología era el bajo consumo. Estamos en el mundo de los Miliamperios, ¿porqué es tan importante si el coste es ínfimo?, la respuesta es «por una cuestión de autonomía». Pretendemos hacer «motes», entendemos que para que esto tenga un cierto futuro los motes tienen que ser: baratos, pequeños, alimentados a baterías y con una autonomía razonable. La idea es que el despliegue de una red de sensores sea rápido, límpio, eficiente, nos marcamos como objetivo una duración aproximada de las baterías de tres años. 

Mirando los diferentes tipos de baterías en función de su capacidad, su tamaño, su facilidad de adquisición, etc.me decanto por las pilas de 1,5V con el formato AAA, es un formato muy popular que se utilia en cualquier mando a distancia, MP3, radios, etc. podemos encontrarlas en cualquier ferretería, super… Hay diferentes capacidades, pero tomamos como estándar los 1000 mAh (por hacer unos cálculos aproximados). 

Unas pilas

La capacidad de una batería se mide en Ah o mAh (Amperios/hora o Miliamperios/hora), una batería de 1000 mAh es capaz de proporcionar 1 A durante una hora, 0,5 A durante dos horas o 100 mA durante 10 horas, así sucesivamente. 

Una radio de Digi consume emitiendo (en función del modelo) 40 mA o cerca de 300 mA si es una Xbee Pro a unos 3V. Una vez más el lector avispado habrá sacado sus propias conclusiones: Una pareja de pilas AAA solo puede emitir durante tres horas con una Xbee pro y durante 30 con una Xbee, no tres años. 

El secreto está e los modos de hibernación, efectivamente no es necesario que la radio transmita todo el tiempo en función de la aplicación, de hecho no es necesario ni tan solo que el microprocesador esté encendido. Por simplificar tomemos tres posibilidades de una radio Xbee: 

• Emitiendo -> 40 mA (recibiendo 45mA)
• Procesando (con la radio apagada) -> 15 mA
• En modo Sleep -> < 1 μ A

Para entenderlo vamos a trabajar en un caso hiopotético. Imaginemos un mote que mide temperatura e iluminación, con una radio Xbee que tiene que transmitir un paquete de 32 Bytes con las lecturas cada 60 segundos 

En cada periodo de 60009,292 milisegundos tendremos 60000 milisegundos con un consumo de 0.03 mA (en modo sleep), 5 milisegundos de emisión y 4,292 milisegundos de recepción, en promedio en ese tiempo habremos consumido 0.0366 mA, con lo que la batería de este mote nos duraría 2,80 años. Con baterías del doble de capacidad nos duraría el doble, tomando la muestra cada 120 segundos nos duraría un poco menos del doble. 

Como cálculo aproximado no está mal, pero veamos las curvas de descarga de las baterías en función de su tecnología: 

Curva de descarga de las baterías en función de la tecnología

 Si os fijais en las baterías alcalinas veréis que aproximadamente al 50% de su vida la tensión se ha reducido en 2,5V, si ponemos dos baterías en serie al principio tendremos 3V, al 50% de su vida 2,5V y el 90% de su vida 2V. Es una consideración importante a tener en la fase de diseño, con una Xbee pro (por ejemplo) los límites de tensión son de 3V a 3,4V, lo que significaría que dejaría de funcionar al 10% de la descarga, en una Xbee normal los límites son de 2.1 a 3,6V lo que significa que aprovecharíamos la pila hasta el 90%. En realidad una Xbee pro funciona con menos tensión, pero no entrega la potencia adecuada en la antena. 

La solución intuitiva es poner una tercera pila, pero en este caso tendríamos 4,5V, que está fuera de los márgenes en los dos casos, correríamos el riesgo de quemar la radio. 

Otra solución consistiría en poner las tres pilas con un regulador de tensión, que despilfarro!!!! el regulador consume, estamos ahorrando energía para ganar autonomía. 

La solución es utilizar un conversor boster, el conversor booster es capaz de tener un margen amplio de tensiones de entrada y convertirlo en una tensión fija sin excesivos cosumos residuales. No es estrictamente necesario para las radios de baja potencia, pero nos garantizan el aprovechamiento de la batería. 

Eso sí, ese tema en la próxima entrega…