Energieverwaltungstechniken in eingebetteten Systemen

Bei Embedded-Designs gehen Energieverwaltung und Energieeffizienz Hand in Hand und sind entscheidend, um ein lebensfähiges und umweltfreundliches Endprodukt zu gewährleisten. Dies gilt heute für eine Vielzahl von eingebetteten Produkten in allen Bereichen, von industriellen Anwendungen bis hin zu medizinischen Geräten und anderen unternehmenskritischen Anwendungsfällen.

Die Faktoren, die zu einer optimalen Energieeffizienz beitragen, sind komplex, und dies ist ein Bereich, mit dem OEMs oft zu kämpfen haben, um Lösungen zu entwickeln, die sich verkaufen lassen, die die Anforderungen ihrer Kunden erfüllen und die gleichzeitig ihren Beitrag zum Umweltschutz leisten. Es ist wichtig, die Fallstricke zu kennen und eine Entwicklungsplattform zu wählen, die den Entwicklern hilft, energieeffiziente Produkte zu entwerfen.

In diesem Blog-Beitrag behandeln wir die Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, und die verschiedenen Techniken, Tools und Optionen zur Energieverwaltung, die in IoT Systemen verfügbar sind.

Energiemanagement und Energieeffizienz: Die wichtigsten Konzepte

Wenn Sie Produkte für industrielle, medizinische oder andere anspruchsvolle Anwendungen entwickeln, können sowohl Energiemanagement als auch Energieeffizienz ein Unterscheidungsmerkmal sein.

Im Folgenden wird jedes dieser Konzepte näher erläutert:

• Energieverwaltung ist der praktische Prozess der Steuerung des Energieverbrauchs in einem System durch Hardware oder Software. So können Sie beispielsweise eine nicht genutzte Systemkomponente aktiv oder automatisch deaktivieren, um Strom zu sparen.
• DerLeistungswirkungsgrad hingegen ist offiziell definiert als das Verhältnis zwischen der abgegebenen Leistung und der einem System zugeführten Gesamtleistung.

Energiemanagement in der Praxis

Darüber hinaus möchte ich die Definition der Leistungseffizienz auf das Verhältnis der Nutzleistung zur Gesamtleistungsaufnahme eines Systems erweitern. Im Zusammenhang mit einem IoT oder einem Computersystem können wir die nützliche Leistungsabgabe als den Funktionsumfang definieren, den ein Produkt mit einem bestimmten Energiebudget unterstützen kann. Dies kann zum Beispiel den Anschluss eines Displays, einer Kamera und anderer interner oder externer Komponenten an ein System umfassen.

Dies ist einer der wichtigsten Parameter bei der Systementwicklung und -integration und besonders wichtig für mobile oder größenbeschränkte Geräte. Ein häufiges Ziel bei der Produktentwicklung ist die Optimierung des Energiebudgets, um die erforderlichen Funktionen zu unterstützen und/oder weniger Energie für dieselbe Aufgabe zu verbrauchen und Energieverschwendung zu vermeiden.

Mit anderen Worten: Energiemanagement ist ein praktischer Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz.
 

Warum ist die Energieeffizienz so wichtig?

Es gibt einige übergreifende Gründe für Energieeffizienz, die unabhängig von bestimmten Anwendungsanforderungen sind. So kann eine effizientere Energienutzung beispielsweise dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu verringern und damit die Umwelt weniger zu belasten. Sie kann auch dazu beitragen, die Betriebskosten von Produkten aufgrund des geringeren Stromverbrauchs zu senken.
 

Anwendungsfälle zur Energieeffizienz

Neben der Verringerung der Kosten und der Umweltbelastung gibt es viele spezifische Anwendungen, bei denen es auf Energieeffizienz ankommt. Schauen wir uns einige Beispiele an.

• Bei einer industriellen Anwendung, wie z. B. der Bewässerung in der Landwirtschaft oder der Überwachung von Futterbehältern, hat der OEM möglicherweise ein festes Energiebudget. Durch die Maximierung der Effizienz dieses Systems können mehr Rechenleistung integriert und zusätzliche Funktionen bereitgestellt werden, allerdings nur bei Bedarf.
• In einer medizinischen oder transporttechnischen Anwendung kann die Größe der größte limitierende Faktor sein. Wenn Sie das System effizienter betreiben, können Sie die Anzahl der Kühlkörper und Lüfter reduzieren, da weniger Wärme erzeugt wird. Gleichzeitig wird ein kleineres Subsystem für die Stromversorgung benötigt. Dies kann sogar zu einer höheren Sicherheit und Zuverlässigkeit des Geräts führen.
• Bei einer ungebundenen medizinischen Anwendung, z. B. einem Produkt auf Wagenbasis, kann die Mobilität eines Systems erforderlich sein, was den Bedarf an einer kleineren, wendigeren Plattform definieren würde. Diese Wahl ist viel einfacher, wenn das System leichter ist oder für einen längeren Batteriebetrieb ausgelegt ist. 

Vorteile von Power Management und Energieeffizienz

Wie wir aus den Anwendungsbeispielen ersehen können, gibt es viele direkte und indirekte Vorteile einer höheren Leistungseffizienz. Dazu gehören:

• VerbesserteAkkulaufzeit.
• Verbessertes thermisches Verhalten und Temperatursenkung.
• Geringere Produktgröße und -kosten durch weniger bewegliche Teile, kleinere Batterien und Netzteile sowie eine insgesamt kleinere Gehäusegröße, die die potenzielle Mobilität eines Geräts erhöht.
• Rauschunterdrückung.
• Geringere Umweltbelastung.
• Und verbesserte Zuverlässigkeit, längere Produktlebensdauer und bessere MTBF-Werte (Mean Time Between Failure). Sie haben vielleicht bemerkt, dass MTBF-Werte in der Regel mit einem bestimmten Temperaturwert angegeben werden, wobei eine niedrigere Temperatur in der Regel bessere MTBF-Werte bedeutet.

Energieeffiziente Systeme bieten in der Regel eine Reihe von Funktionen für die Energieverwaltung, um letztlich ihre Effizienz zu maximieren.

Im Folgenden werden wir jede dieser Energieverwaltungstechniken einzeln besprechen und erläutern, inwiefern die Digi ConnectCore® Entwicklungsplattform einzigartige Vorteile oder einen Mehrwert bietet.
 

Verwaltung der Energieeffizienz mit System-on-Modules (SOMs)

Einer der Hauptvorteile der Verwendung von System-on-Modules liegt in der Energieeffizienz, da die SOMs die Verwendung von "Power Domains" ermöglichen. Das bedeutet, dass das SOM den Großteil der Verarbeitung für die Anwendung übernehmen kann, wodurch die meisten der übrigen Komponenten, entweder auf dem SOM selbst oder auf dem Baseboard, abgeschaltet oder der Stromverbrauch erheblich reduziert werden kann.

So kann der Entwickler beispielsweise die Fähigkeit einplanen, den Stromverbrauch zu reduzieren oder drahtlose Komponenten oder sogar nicht genutzte E/A abzuschalten. Bei Multicore- oder heterogenen Rechensystemen ist es oft möglich, dieses Prinzip zu erweitern, um die Kontrolle über einzelne CPU-Kerne zu ermöglichen. Ein weiteres Beispiel ist ein Mobilfunk Modem oder ein Speicher, der sich außerhalb des Moduls befindet.

Die einzelnen Leistungssteigerungen mögen zwar minimal sein, aber wenn man sie alle zusammenzählt, wird ihre Summe signifikant. Siehe unser Dokumentation zur Energieverwaltung für weitere Informationen über die Funktionsweise.

Als Nächstes werden wir einige spezifische Mechanismen zur Verbesserung der Energieeffizienz mithilfe von SOMs behandeln.
 

DVFS

DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) ist eine Funktion moderner Computersysteme, die eine automatische Anpassung der CPU-Frequenzen und -Spannungen an die tatsächliche Systemlast ermöglicht.
Bei der Digi-Lösung kann dies für jeden CPU-Kern anhand vordefinierter Vorlagen vollständig angepasst werden.

Zusätzlich kann DVFS auch auf die GPU (Graphical Processing Unit) angewendet werden, was das Optimierungspotenzial für die Energieeffizienz weiter erhöht.
 

Bootmodus-Konfiguration

Ein weiteres erwähnenswertes Merkmal ist die Konfiguration des Boot-Modus. Herkömmliche eingebettete Systeme werden vollständig mit Strom versorgt, sobald das Netzteil angeschlossen wird. Die Bereitstellung einer Stromtaste kann dazu beitragen, den Stromverbrauch erheblich zu senken, wenn das System nicht in Gebrauch ist.

Die Digi ConnectCore SOM-Plattform bietet eine Konfigurationsoption zum Umschalten von "boot on power", d. h. das System wird gebootet, sobald es mit Strom versorgt wird, auf "wait for power key", d. h. das System wird nur gebootet, wenn die Stromtaste gedrückt wird, und umgekehrt. Weitere Informationen finden Sie in unserer Dokumentation zur Konfiguration des Boot-Modus.
 

Schlafmodi und Weckzeiten

Der Boot-Modus geht Hand in Hand mit den Ruhemodi, die es ermöglichen, das System in verschiedene Stromsparzustände mit unterschiedlichen Stromverbrauchswerten für verschiedene Anwendungsfälle zu versetzen.
Diese Energiesparmodi lassen sich in der Regel über eine Software- oder Hardwarekonfiguration einrichten und können häufig über eine Anwendung oder einen Systemaufruf oder über Tasten oder ähnliche Funktionen aktiviert werden.

In vielen Anwendungen, z. B. in einem Verkaufsautomaten oder einer Parkuhr, ist eine schnelle Aufwachzeit aus dem Energiesparmodus erforderlich. Sie möchten nicht, dass die Benutzer in diesen Anwendungsfällen warten müssen, bis das System das Betriebssystem vollständig hochgefahren hat.

Das Suspendieren des Systems in einen sich selbst auffrischenden RAM-Speicher ermöglicht kurze Aufwachzeiten bei relativ geringem Stromverbrauch.

Digi hat die ConnectCore SOM-Plattform optimiert, um ultraschnelle Aufwachzeiten im Bereich von wenigen Millisekunden zu erreichen.
 

Überlegungen zur Energieverwaltung und Kompromisse

Wie bei allen Aspekten der Entwicklung eingebetteter Produkte gibt es Kompromisse zu berücksichtigen. Dies gilt natürlich auch für die Ruhemodi und Aufwachzeiten. Wenn z. B. die Aufwachzeit in Ihrer Anwendung nicht der wichtigste Aspekt ist, sollten Sie sich stattdessen für den niedrigsten Stromverbrauch entscheiden.
Bei den meisten Anwendungen reicht es jedoch nicht aus, einfach nur den Stromverbrauch zu senken. Oftmals möchten Sie zumindest eine Uhr beibehalten, um Datum und Uhrzeit zu erhalten, oder mehr Möglichkeiten zum Neustart des Systems anbieten, als nur das Anschließen der Stromversorgung. Viele Systeme bieten einen Ausschalt- oder RTC-Modus, um diese Funktionalität bei möglichst geringem Stromverbrauch zu gewährleisten.

Nachfolgend finden Sie einige praktische Hinweise zu diesen Überlegungen mit aktuellen Werten, die helfen können, die Größenordnung zu veranschaulichen. Ein typisches System auf einem Modul, das auf einem NXP i.MX-Prozessor basiert, der normalerweise unter hoher Last, z. B. bei der Dekodierung eines Videos, etwa 500 mW verbraucht, könnte im Suspend-to-RAM-Modus etwa 10 mW und im Power-off- oder RTC-Modus weniger als 10 uW verbrauchen. Dies ist der praktische Kompromiss zwischen der schnellsten Aufwachzeit und dem niedrigsten Stromverbrauch, und natürlich können Sie beide Optionen nach Bedarf kombinieren.
 

Wakeup-Ereignisse verwalten

Effiziente Systeme bieten mehrere Quellen für Wakeup-Ereignisse, die zur Wiederaufnahme des Betriebs aus einem der stromsparenden Zustände verwendet werden können.

Eine der gebräuchlichsten Weckquellen ist ein unterbrechungsfähiger GPIO, der mit einer externen Komponente umgeschaltet werden kann. Der einfachste Ansatz wäre die Verwendung eines Tasters oder Schalters, aber es kann auch für eine anspruchsvollere Logik unter Verwendung eines externen Mikrocontrollers verwendet werden.

Eine weitere sehr verbreitete Option ist die Verwendung einer Echtzeituhr, die einen Timer simuliert.

Wenn das System über einen oder mehrere Manipulationspins verfügt, die normalerweise verwendet werden, um ein unbefugtes Eindringen von außen in das System zu erkennen - z. B. einen Angreifer, der versucht, das Gehäuse zu öffnen -, kann dies auch als Weckquelle verwendet werden, damit das System auf einen Sicherheitsverstoß reagieren kann, selbst wenn es sich im stromsparenden Zustand befindet.
 

Techniken und Strategien zur Energieverwaltung

Wann immer es möglich ist, ist es ein guter Ansatz, die Komponente mit dem geringsten Stromverbrauch im System für Energieverwaltungsaufgaben zu verwenden. Hier sind einige der in Betracht zu ziehenden Strategien:

• Viele Entwickler fügen externe Mikrocontroller mit sehr geringem Stromverbrauch hinzu, um die Energieverwaltung "auszulagern".
• Digi fügt den ConnectCore SOMs einen zusätzlichen stromsparenden Controller hinzu, den wir "Microcontroller Assist" (MCA) nennen, der jedoch außerhalb der eigentlichen Prozessorkerne liegt und für das Powermanagement genutzt werden kann. Der MCA bietet zum Beispiel GPIOs, Manipulationspins und einen seriellen Port als zusätzliche Aufwachquelle. Das System kann so konfiguriert werden, dass es bei einem magischen Wort, das über die serielle Schnittstelle dieses MCA eingeht, aufwacht.
• Die Power-Taste ist eine nützliche Funktion, die wir bereits besprochen haben, da sie die Möglichkeit bietet, verschiedene Boot-Modi zu verwenden.
• Wake on LAN - als Option zum Aufwecken des Systems aus der Ferne über ein Netzwerk - ist bei vielen Systemen verfügbar, ähnlich wie bei der seriellen Schnittstelle, wobei ein magisches Wort oder Muster oder beliebige Daten zur Wiederaufnahme des normalen Betriebs verwendet werden.
• Und schließlich ist das Aufwachen aus einem stromsparenden Zustand über Funk in vielen Systemen noch nicht sehr verbreitet, da die HF-Komponente des Systems auf irgendeine Weise mit Strom versorgt werden muss. Digi hat vor kurzem Wake on Bluetooth in seine Geräte integriert, was eine gute Ergänzung zur Liste der Aufwachquellen darstellt und zusätzliche Optionen für Anwendungen bietet, die mit Geräten im Energiesparmodus interagieren.

Die meisten dieser Funktionen erfordern in der Regel einen Systemzugang auf niedrigerer Ebene über eine Befehlszeile oder zumindest eine Konfiguration auf Betriebssystemebene.

Ein benutzerfreundliches IoT System sollte einen Mechanismus bereitstellen, der es Entwicklern ermöglicht, die Energieverwaltungsfunktionen aus ihrem Anwendungscode heraus zu nutzen.

Digi hat seinem Betriebssystem eine Programmierschnittstelle namens APIX hinzugefügt, die es Programmierern ermöglicht, auf viele der eingebetteten Hardwareschnittstellen des Systems zuzugreifen, und darüber hinaus bietet dieser Satz von APIs auch einen High-Level-Zugang zu den Energieverwaltungsfunktionen.

Damit lassen sich beispielsweise CPU- und GPU-Frequenzen steuern, CPU-Kerne deaktivieren und aktivieren, Vorlagen für das Temperaturmanagement einrichten und so weiter.
 

Überlegungen zur Skalierbarkeit im Energiemanagement

Ein weiterer Punkt, der im Zusammenhang mit Energiemanagement und Effizienz zu erwähnen ist, ist die Skalierbarkeit eines Systems. Wenn Sie eine IoT Lösung verwenden, die eine einfache Skalierung von Geräten mit niedrigem Stromverbrauch und geringerer Leistung auf Geräte mit höherer Leistung ermöglicht, können Sie potenziell die energieeffizienteste Implementierung für eine bestimmte Anwendung erreichen, mit der Option, die Produktfunktionalität zu erhöhen oder die Effizienz in Zukunft weiter zu optimieren.

Viele Rechenlösungen bieten heute heterogene Architekturen mit mehreren CPU-Kernen in verschiedenen Leistungs- und Verbrauchsstufen, wie ARM Cortex A, Cortex M usw., die je nach Bedarf einzeln mit Strom versorgt werden können. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Systemimplementierung.
Idealerweise ist das Softwareangebot in einem solchen System so optimiert, dass es diesen Hardwarevorteil nutzt. Und damit kommen wir zu den hochintegrierten, skalierbaren Lösungen von Digi.
 

Embedded-Lösungen von Digi

Der Geschäftsbereich OEM Solutions von Digi bietet eine breite Palette von eingebetteten Lösungen an, darunter:

• Die Digi ConnectCore® System-on-Module-Produktfamilie bietet eine hochintegrierte Software- und Hardware-Plattform mit integrierter drahtloser Konnektivität und Sicherheit, die für eine schnelle Entwicklung und eine schnelle Markteinführung konzipiert ist. Dazu gehören ARM-basierte eingebettete System-on-Module und Einplatinencomputer mit i.MX-Anwendungsprozessoren von NXP.
• Digi RF und Mobilfunk Kommunikationsmodule, die verschiedene Protokolle für IoT Konnektivität unterstützen, wie z.B. Short Range RF, LoRaWAN und LTE. Dazu gehören Digi XBee® RF und Mobilfunk Kommunikationsmodule, die einen gemeinsamen Formfaktor bieten und mehrere RF-Technologien unterstützen, sowie die Digi LoRaWAN-Lösung.
• Neben hochintegrierter Hard- und Software verfügen wir über eine Reihe von Entwicklungswerkzeugen, Codebibliotheken und eine hervorragende Dokumentation, die gemeinsame Designaktivitäten weiter vereinfachen.

Um sicherzustellen, dass wir die modernsten Lösungen auf dem Markt anbieten, arbeitet Digi mit führenden Unternehmen wie NXP, Microsoft Azure und AWS zusammen, um umfassendere Lösungen auf den Markt zu bringen.
 

Der Digi-Unterschied

Digi hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Arbeit zu vereinfachen und Beschleunigung der Entwicklung, Bereitstellung und Verwaltung sicherer, vernetzter Gerätemit einem Systemansatz für die Integration, den wir als "hardwarefähig, softwaredefiniert" bezeichnen. Unsere Lösungen beruhen auf diesen Schlüsselstrategien:

• Wir bieten industrietaugliche Hardware, die für industrielle Temperaturen von -40 bis +85 Celsius spezifiziert ist. Diese Lösungen sind so konzipiert und getestet, dass sie in rauen Umgebungen mit hohen Anforderungen zuverlässig funktionieren. Wir ermöglichen unseren Kunden die Skalierung von Single-Core-Geräten bis hin zu Quad-Core-Hochleistungsgeräten mit einem gemeinsamen Formfaktor, die alle von unserer gemeinsamen Digi Embedded Yocto- und Android-Softwareplattform unterstützt werden.
• Digi hat viel in die Sicherheit investiert und bietet mit Digi TrustFence® ein komplettes Framework mit produktionsreifen Sicherheitsfunktionen, das es Kunden ermöglicht, sichere vernetzte Geräte zu entwickeln, ohne dass zusätzliche Kosten oder Zeit für die Integration von Sicherheitsfunktionen in Produkte anfallen.
• Die SOMs von Digi integrieren Wi-Fi- und Bluetooth-Konnektivität vollständig und sind auch in unser Sortiment an XBee-Modulen integriert, die noch mehr Flexibilität mit breiter Unterstützung für führende IoT Standards wie LTE Mobilfunk, Mesh-Netzwerke und Sub-GHz-Langstrecken bieten.
• Ergänzend zu all unseren Hardware-Produkten bieten wir Software und Dienstleistungen an, darunter Digi Remote Manager®, eine Cloud-basierte Geräteverwaltung und IoT Kommunikationsplattform.
• Und wir verfügen über globale Support-Teams und eine eigene Abteilung für Wireless Design Services, die Entwickler und OEMs auf der ganzen Welt unterstützen.

Kontaktieren Sie uns, um ein Gespräch zu beginnen. Die Experten von Digi können Ihnen helfen, die richtige Lösung für Ihre Anwendungsanforderungen zu finden.