Técnicas de gestión de la energía en sistemas empotrados

En los diseños integrados, la gestión de la energía y la eficiencia energética van de la mano y son cruciales para garantizar un producto final viable y respetuoso con el medio ambiente. Esto es cierto para una amplia gama de productos embebidos hoy en día a través de verticales de aplicaciones industriales a los dispositivos médicos y otros casos de uso de misión crítica.

Los factores que contribuyen a una eficiencia energética óptima son complejos, y éste es un ámbito con el que los fabricantes de equipos originales suelen tener dificultades para desarrollar soluciones que se vendan y que cumplan los requisitos de sus clientes, al tiempo que aportan su granito de arena al medio ambiente. Conocer las dificultades y seleccionar una plataforma de desarrollo diseñada para ayudar a los desarrolladores a diseñar productos eficientes desde el punto de vista energético son cuestiones clave.

En esta entrada del blog, cubrimos los desafíos a superar, y las diversas técnicas, herramientas y opciones de gestión de la energía disponibles en los sistemas de IoT .

Gestión de la energía y eficiencia energética: Los conceptos clave

Si está diseñando productos para aplicaciones industriales, médicas o de otro tipo, tanto la gestión como la eficiencia energética pueden ser elementos diferenciadores.

A continuación, se analizan cada uno de estos conceptos:

• Lagestión de la energía es el proceso práctico de controlar el uso de la energía en un sistema mediante hardware o software. Por ejemplo, se puede desactivar activa o automáticamente un componente del sistema que no se utilice con el objetivo de ahorrar energía.
• Por otro lado, laeficiencia energética se define oficialmente como la relación entre la potencia de salida y la potencia total de entrada proporcionada a un sistema.

Cómo utilizar la gestión de la energía

Además, me gustaría ampliar la definición de eficiencia energética a la relación entre la potencia útil de salida y la potencia total de entrada suministrada a un sistema. En el contexto de un sistema informático o IoT , podemos definir la potencia útil como el conjunto de funciones que un producto puede ofrecer con un presupuesto de energía determinado. Por ejemplo, esto podría incluir la conexión de una pantalla, una cámara y otros componentes internos o externos a un sistema.

Se trata de uno de los parámetros clave en el diseño y la integración de cualquier sistema, especialmente crítico en dispositivos móviles o de tamaño limitado. Un objetivo común en el desarrollo de productos es optimizar el presupuesto de energía para soportar un conjunto de características requeridas y/o utilizar menos energía para realizar la misma tarea, eliminando el desperdicio de energía.

En otras palabras, la gestión de la energía es un enfoque práctico para aumentar la eficiencia energética.
 

¿Por qué es importante la eficiencia energética?

Hay algunas razones generales para la eficiencia energética que son independientes de las necesidades particulares de la aplicación. Por ejemplo, un uso más eficiente de la energía puede ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para un menor impacto en el medio ambiente. También puede ayudar a reducir el coste de funcionamiento de los productos gracias a un menor consumo de energía.
 

Casos de uso de la eficiencia energética

Además de reducir los costes y el impacto medioambiental, hay muchas aplicaciones específicas que necesitan eficiencia energética. Veamos algunos ejemplos.

• En una aplicación industrial, como la irrigación agrícola o la monitorización de la alimentación, el OEM puede tener un presupuesto de energía fijo. Al maximizar la eficiencia de ese sistema, se puede integrar más potencia de cálculo y desplegar funciones adicionales, pero solo cuando sea necesario.
• En una aplicación médica o de transporte, el tamaño puede ser el factor más limitante. Por eso, si el sistema funciona de forma más eficiente, se puede reducir el número de disipadores de calor y ventiladores porque se genera menos calor. Al mismo tiempo, se necesitaría un subsistema de alimentación más pequeño. Esto puede incluso conducir a una mayor seguridad y fiabilidad del dispositivo.
• En una aplicación médica sin ataduras, como un producto basado en un carro, puede requerirse la movilidad de un sistema, lo que definiría la necesidad de una plataforma más pequeña y ágil. Esta elección es mucho más sencilla si el sistema es más ligero o está diseñado para un funcionamiento prolongado con batería. 

Ventajas de la gestión de la energía y la eficiencia energética

Como podemos ver en los ejemplos de casos de uso, hay muchos beneficios directos e indirectos de una mayor eficiencia energética. Entre ellas:

• Mejoras enla duración de la batería.
• Comportamiento térmico mejorado y reducción de la temperatura.
• Reducción del tamaño y el coste del producto con menos piezas móviles, baterías y fuentes de alimentación más pequeñas, y un tamaño de carcasa más reducido que aumenta la movilidad potencial de un dispositivo.
• Reducción del ruido.
• Reducción del impacto medioambiental.
• Y una mayor fiabilidad, una mayor vida útil del producto y un mejor MTBF (tiempo medio entre fallos). Habrá observado que los valores de MTBF suelen ir acompañados de un valor de temperatura específico; una temperatura más baja suele significar mejores valores de MTBF.

Los sistemas energéticamente eficientes suelen ofrecer un conjunto de características para la gestión de la energía con el fin último de maximizar su eficiencia.

A continuación, hablaremos de cada una de estas técnicas de gestión de energía por separado y de cómo la plataforma de desarrollo Digi ConnectCore® tiene ventajas únicas o aporta un valor añadido.
 

Gestión de la eficiencia energética con los módulos en el sistema (SOM)

Una de las principales ventajas del uso de los módulos del sistema en sí mismo es la eficiencia energética, ya que los SOM permiten el uso de "dominios de energía". Esto significa que el SOM puede encargarse de la mayor parte del procesamiento de la aplicación, permitiendo así que la mayoría de los componentes restantes, ya sea en el propio SOM o en la placa base, se apaguen o reduzcan considerablemente su consumo.

Por ejemplo, el desarrollador puede diseñar la capacidad de reducir la energía o apagar los componentes inalámbricos o incluso la E/S que no se esté utilizando. En los sistemas informáticos multinúcleo o heterogéneos, a menudo es posible ampliar este principio para permitir el control de los núcleos individuales de la CPU. Otro ejemplo es un módem celular o una memoria externa al módulo.

Aunque cada uno de los aumentos de potencia puede ser mínimo, cuando los sumas todos, su suma resulta significativa. Vea nuestro documentación sobre la gestión de la energía para obtener información adicional sobre su funcionamiento.

A continuación, trataremos algunos mecanismos específicos para mejorar la eficiencia energética utilizando los SOM.
 

DVFS

DVFS (escalado dinámico de voltaje y frecuencia) es una característica de los sistemas informáticos modernos que proporciona una adaptación automática de las frecuencias y voltajes de la CPU en función de la carga real del sistema.
En la solución Digi, esto se puede personalizar completamente por núcleo de CPU utilizando plantillas predefinidas.

Además, el DVFS puede aplicarse también a la GPU (unidad de procesamiento gráfico), lo que aumenta aún más el potencial de optimización de la eficiencia energética.
 

Configuración del modo de arranque

Otra característica a mencionar es la configuración del modo de arranque. Los sistemas embebidos tradicionales se alimentan por completo en cuanto se conecta la fuente de alimentación. Proporcionar una tecla de encendido puede ayudar a reducir significativamente el consumo de energía cuando el sistema no está en uso.

La plataforma SOM Digi ConnectCore ofrece una opción de configuración para cambiar de "arranque con alimentación" para arrancar el sistema tan pronto como se aplica la alimentación a "esperar tecla de encendido" para arrancar el sistema sólo cuando se pulsa la tecla de encendido y viceversa. Puede obtener más información en nuestra documentación de configuración del modo de arranque.
 

Modos de dormir y horas de despertar

El modo de arranque va de la mano de los modos de reposo, que ofrecen la posibilidad de enviar el sistema a varios estados de bajo consumo con distintos niveles de consumo para distintos casos de uso.
Estos modos de bajo consumo suelen configurarse mediante software o hardware, y a menudo pueden activarse mediante una llamada a la aplicación o al sistema, o mediante botones o funciones similares.

En muchas aplicaciones, como en una máquina expendedora o un parquímetro, se requiere un tiempo de activación rápido desde un estado de bajo consumo. No querrás que los usuarios tengan que esperar hasta que el sistema haya arrancado completamente el sistema operativo en estos casos de uso.

Suspender el sistema a una memoria RAM autorrefrescante permite tiempos de activación cortos con un consumo de energía relativamente bajo.

Digi ha optimizado la plataforma SOM ConnectCore para conseguir un tiempo de activación ultrarrápido de unos pocos milisegundos.
 

Consideraciones y compensaciones sobre la gestión de la energía

Como ocurre con todos los aspectos del desarrollo de productos embebidos, hay que tener en cuenta ciertas ventajas y desventajas. Es el caso de los modos de reposo y los tiempos de activación. Por ejemplo, si el tiempo de activación no es el aspecto más relevante de su aplicación, puede optar por el menor consumo de energía.
Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones no basta con reducir el consumo. A menudo se desea mantener al menos un reloj para conservar la fecha y la hora, u ofrecer más opciones para reiniciar el sistema aparte de simplemente conectar la alimentación. Muchos sistemas ofrecen un modo de apagado o RTC para proporcionar esta funcionalidad con el menor consumo posible.

He aquí un contexto práctico para estas consideraciones con valores reales, que pueden ayudar a ilustrar la magnitud. Un sistema típico en un módulo basado en un procesador NXP i.MX que normalmente consume alrededor de 500mW bajo carga pesada, por ejemplo mientras decodifica un vídeo, podría consumir alrededor de 10mW en suspensión a RAM y menos de 10uW en modo apagado o RTC. Este es el compromiso práctico entre el tiempo de activación más rápido y el menor consumo de energía, y por supuesto puedes combinar ambas opciones según necesites.
 

Gestión de los eventos de despertador

Los sistemas eficientes proporcionan varias fuentes de eventos de activación que pueden utilizarse para reanudar el funcionamiento desde cualquiera de los estados de bajo consumo.

Una de las fuentes de activación más comunes es un GPIO con capacidad de interrupción, que puede activarse mediante un componente externo. El enfoque más simple sería utilizar un botón o un interruptor, pero se puede utilizar para una lógica más sofisticada utilizando un micro controlador externo.

Otra opción muy común es utilizar el reloj de tiempo real simulando un temporizador.

Si el sistema ofrece uno o más pines de manipulación, que normalmente se utilizan para detectar una intrusión externa no autorizada en el sistema - por ejemplo, un atacante tratando de abrir la caja - esto también se puede utilizar como una fuente de activación, para permitir que el sistema reaccione a una violación de seguridad, incluso estando en un estado de baja potencia.
 

Técnicas y estrategias de gestión de la energía

Siempre que sea posible, es un buen enfoque utilizar el componente con el menor consumo de energía en el sistema para las tareas de gestión de energía. Estas son algunas de las estrategias a tener en cuenta:

• Muchos desarrolladores añaden microcontroladores externos de muy bajo consumo para "externalizar" la gestión de la energía.
• Digi añade un controlador adicional de bajo consumo que denominamos "asistente de microcontrolador" o MCA, en los SOMs ConnectCore, pero externo a los núcleos de procesamiento reales, que puede utilizarse para la gestión de la energía. Por ejemplo, el MCA proporciona GPIOs, pines de manipulación y también un puerto serie como fuente de activación adicional. El sistema puede configurarse para que se despierte con una palabra mágica que entre en la interfaz serie de este MCA.
• La tecla de encendido es una característica útil de la que ya hemos hablado, ya que ofrece la opción de utilizar diferentes modos de arranque.
• Wake on LAN - como una opción para despertar el sistema de forma remota a través de una red - está disponible en muchos sistemas, similar a la interfaz de serie, utilizando una palabra mágica o un patrón o datos arbitrarios para reanudar el funcionamiento normal.
• Y, por último, el despertar desde un estado de baja energía utilizando la tecnología inalámbrica todavía no es muy común en muchos sistemas, ya que requiere que el componente de RF del sistema sea alimentado de alguna manera. Digi ha incluido recientemente Wake on Bluetooth en sus dispositivos, lo cual es una buena adición a la lista de fuentes de activación que añade opciones adicionales para que las aplicaciones interactúen con los dispositivos que operan en estados de baja energía.

La mayoría de estas funciones suelen requerir un acceso de bajo nivel al sistema a través de una línea de comandos o, al menos, una configuración a nivel del sistema operativo.

Un sistema IoT fácil de usar debe proporcionar un mecanismo que permita a los desarrolladores utilizar las funciones de gestión de energía desde el código de su aplicación.

Digi ha añadido una interfaz de programación denominada APIX a la oferta de su sistema operativo, que permite a los programadores acceder a muchas de las interfaces de hardware integradas del sistema y, además, este conjunto de API también proporciona acceso de alto nivel a las funciones de gestión de energía.

Esto puede utilizarse, por ejemplo, para controlar las frecuencias de la CPU y la GPU, desactivar y activar núcleos de CPU, configurar plantillas de gestión de la temperatura, etc.
 

Consideraciones de escalabilidad en la gestión de la energía

Otro punto que hay que mencionar en el contexto de la gestión y la eficiencia energética es la escalabilidad de un sistema. Si se utiliza una solución de IoT que permita escalar fácilmente de dispositivos de bajo consumo y menor rendimiento a dispositivos de mayor rendimiento, se puede lograr potencialmente la implementación más eficiente en términos de energía para una aplicación específica, con opciones para aumentar la funcionalidad del producto o para optimizar aún más la eficiencia en el futuro.

Hoy en día, muchas soluciones de computación ofrecen arquitecturas heterogéneas con múltiples núcleos de CPU en diferentes niveles de rendimiento y consumo, como ARM Cortex A, Cortex M, etc., que pueden alimentarse individualmente según sea necesario. Esto permite implementar sistemas muy eficientes.
Lo ideal es que la oferta de software de un sistema de este tipo esté optimizada para utilizar esta ventaja del hardware. Y eso nos lleva a hablar de las soluciones escalables y altamente integradas de Digi.
 

Soluciones integradas de Digi

La unidad de negocio OEM Solutions de Digi ofrece una amplia gama de soluciones integradas, entre las que se incluyen:

• La familia de productos de sistema en módulo Digi ConnectCore®, que ofrece una plataforma de software y hardware altamente integrada con conectividad inalámbrica y seguridad incorporadas, está diseñada para un desarrollo rápido y una rápida salida al mercado. Entre ellos se encuentran los módulos de sistema integrado basados en ARM y los ordenadores de placa única que utilizan los procesadores de aplicación i.MX de NXP.
• Módulos de comunicación RF y celular Digi que admiten varios protocolos para la conectividad IoT , como RF de corto alcance, LoRaWAN y LTE. Entre ellos se encuentran los módulos de comunicación celular y RF Digi XBee®, que ofrecen un factor de forma común compatible con múltiples tecnologías de RF, y la solución Digi LoRaWAN.
• Además del hardware y el software altamente integrados, disponemos de un conjunto de herramientas de desarrollo, así como de bibliotecas de código y una excelente documentación, que simplifican aún más las actividades de diseño habituales.

Para garantizar que ofrecemos las soluciones más punteras del mercado, Digi se asocia con líderes como NXP, Microsoft Azure y AWS para llevar al mercado soluciones más completas.
 

La diferencia de Digi

La misión de Digi es simplificar y acelerar el desarrollo, la implantación y la gestión de dispositivos seguros y conectadoscon un enfoque sistémico de la integración que denominamos "hardware enabled, software defined". Nuestras soluciones se basan en estas estrategias clave:

• Proporcionamos hardware de calidad industrial especificado para temperaturas industriales de -40 a +85 grados centígrados. Estas soluciones están diseñadas y probadas para funcionar de forma fiable en entornos difíciles con requisitos exigentes. Permitimos a los clientes escalar desde dispositivos de un solo núcleo hasta dispositivos de cuatro núcleos de alto rendimiento con un factor de forma común, todo ello soportado en nuestra plataforma de software común Digi Embedded Yocto y Android.
• Digi ha invertido mucho en seguridad y ofrece un marco completo de funciones de seguridad listas para la producción, denominado Digi TrustFence®, que permite a los clientes crear dispositivos conectados seguros sin el coste o el tiempo adicionales necesarios para incorporar la seguridad a los productos.
• Los SOMs de Digi integran completamente la conectividad Wi-Fi y Bluetooth y también se integran con nuestra gama de módulos XBee proporcionando aún más flexibilidad con un amplio soporte para los principales estándares de IoT como celular LTE, redes de malla y sub-GHz de largo alcance.
• Como complemento a todos nuestros productos de hardware está nuestra oferta de software y servicios, que incluye Digi Remote Manager®, una plataforma de gestión de dispositivos basada en la nube y de comunicación IoT .
• Además, contamos con equipos de asistencia mundial y una división interna de servicios de diseño inalámbrico para ayudar a los desarrolladores y fabricantes de equipos originales de todo el mundo.

Póngase en contacto con nosotros para iniciar una conversación. Los expertos de Digi pueden ayudarle a identificar la solución adecuada para los requisitos de su aplicación.