Techniques de gestion de l'énergie dans les systèmes embarqués

Dans les conceptions embarquées, la gestion de l'énergie et l'efficacité énergétique vont de pair et sont essentielles pour garantir un produit final viable et respectueux de l'environnement. Ceci est vrai pour une vaste gamme de produits embarqués aujourd'hui, dans des secteurs verticaux allant des applications industrielles aux appareils médicaux et autres cas d'utilisation critiques.

Les facteurs qui contribuent à une efficacité énergétique optimale sont complexes, et c'est un domaine dans lequel les équipementiers ont souvent du mal à développer des solutions qui se vendent et qui répondent aux exigences de leurs clients tout en faisant leur part pour l'environnement. Il est essentiel de connaître les pièges et de choisir une plate-forme de développement conçue pour aider les développeurs à concevoir des produits économes en énergie.

Dans ce billet de blog, nous abordons les défis à relever, ainsi que les différentes techniques, outils et options de gestion de l'énergie disponibles dans les systèmes IoT .

Gestion de l'énergie et efficacité énergétique : Les concepts clés

Si vous concevez des produits pour des applications industrielles, médicales ou autres applications exigeantes, la gestion et l'efficacité de l'énergie peuvent être des facteurs de différenciation.

Voici un aperçu de chacun de ces concepts :

• Lagestion de l'énergie est le processus pratique de contrôle de l'utilisation de l'énergie dans un système par le matériel ou le logiciel. Par exemple, vous pouvez désactiver activement ou automatiquement un composant système non utilisé dans le but d'économiser de l'énergie.
• Lerendement énergétique, quant à lui, est officiellement défini comme le rapport entre la puissance produite et la puissance totale fournie à un système.

Mise en œuvre de la gestion de l'alimentation

En outre, j'aimerais étendre la définition de l'efficacité énergétique au rapport entre la puissance utile produite et la puissance totale absorbée par un système. Dans le contexte d'un système informatique ou IoT , nous pouvons définir la puissance utile comme l'ensemble des fonctions qu'un produit peut prendre en charge avec un budget énergétique donné. Par exemple, cela peut inclure la connexion d'un écran, d'une caméra et d'autres composants internes ou externes à un système.

Il s'agit d'un des paramètres clés de la conception et de l'intégration d'un système, particulièrement important pour les appareils mobiles ou de taille limitée. Un objectif commun dans le développement de produits est d'optimiser le budget énergétique pour soutenir un ensemble de fonctionnalités requises et/ou d'utiliser moins d'énergie pour effectuer la même tâche, en éliminant le gaspillage d'énergie.

En d'autres termes, la gestion de l'énergie est une approche pratique pour augmenter l'efficacité énergétique.
 

Pourquoi l'efficacité énergétique est-elle importante ?

Il existe des raisons primordiales pour l'efficacité énergétique qui sont indépendantes des besoins d'applications particulières. Par exemple, une utilisation plus efficace de l'énergie peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre pour un impact moindre sur l'environnement. Elle peut également contribuer à réduire le coût d'exploitation des produits grâce à une consommation d'énergie moindre.
 

Cas d'utilisation de l'efficacité énergétique

Outre la réduction des coûts et de l'impact environnemental, de nombreuses applications spécifiques ont besoin d'efficacité énergétique. Examinons quelques exemples.

• Dans une application industrielle, telle que l'irrigation agricole ou la surveillance d'un réservoir d'alimentation, l'équipementier peut disposer d'un budget énergétique fixe. En maximisant l'efficacité de ce système, il est possible d'intégrer davantage de puissance de calcul et de déployer des fonctionnalités supplémentaires, mais uniquement en cas de besoin.
• Dans une application médicale ou de transport, la taille peut être le facteur le plus limitatif. Ainsi, en faisant fonctionner le système plus efficacement, vous pouvez réduire le nombre de dissipateurs thermiques et de ventilateurs car moins de chaleur est générée. Dans le même temps, un sous-système d'alimentation plus petit sera nécessaire. Cela peut même conduire à une sécurité et une fiabilité accrues du dispositif.
• Dans une application médicale non attachée, telle qu'un produit sur chariot, la mobilité d'un système peut être requise, ce qui définirait le besoin d'une plateforme plus petite et plus agile. Ce choix est beaucoup plus simple si le système est plus léger, ou conçu pour un fonctionnement prolongé sur batterie. 

Avantages de la gestion de l'alimentation et de l'efficacité énergétique

Comme nous pouvons le voir dans les exemples de cas d'utilisation, les avantages directs et indirects d'une meilleure efficacité énergétique sont nombreux. Il s'agit notamment de :

• Amélioration de l'autonomie de la batterie.
• Amélioration du comportement thermique et réduction de la température.
• Réduction de la taille et du coût des produits grâce à la diminution du nombre de pièces mobiles, à la réduction de la taille des batteries et des blocs d'alimentation et à la réduction générale de la taille des boîtiers, ce qui accroît la mobilité potentielle d'un appareil.
• Réduction du bruit.
• Réduction de l'impact environnemental.
• Et une meilleure fiabilité, une durée de vie accrue du produit et un meilleur MTBF (temps moyen entre les défaillances). Vous avez peut-être remarqué que les valeurs MTBF sont généralement fournies avec une valeur de température spécifique, une température plus basse signifiant généralement de meilleures valeurs MTBF.

Les systèmes économes en énergie offrent généralement un ensemble de fonctions de gestion de l'énergie afin de maximiser leur efficacité.

Nous examinerons ensuite chacune de ces techniques de gestion de l'énergie et la manière dont la plateforme de développement Digi ConnectCore® présente des avantages uniques ou apporte une valeur ajoutée.
 

Gestion de l'efficacité énergétique avec les systèmes sur modules (SOM)

L'un des principaux avantages de l'utilisation de systèmes sur modules est lié à l'efficacité énergétique, car les SOM permettent l'utilisation de "domaines d'alimentation". Cela signifie que le SOM peut gérer la majorité du traitement de l'application, ce qui permet d'arrêter ou de réduire considérablement la consommation de la plupart des autres composants, que ce soit sur le SOM lui-même ou sur la carte de base.

Par exemple, le développeur peut concevoir la possibilité de réduire la consommation d'énergie ou de désactiver les composants sans fil ou même les E/S qui ne sont pas utilisées. Sur les systèmes de calcul multicœurs ou hétérogènes, il est souvent possible d'étendre ce principe pour permettre le contrôle des cœurs de CPU individuels. Un autre exemple est celui d'un modem cellulaire ou d'une mémoire externe au module.

Bien que chacun des gains de puissance puisse être minime, lorsque vous les additionnez tous, leur somme devient significative. Voir notre documentation sur la gestion de l'énergie pour plus d'informations sur la façon dont cela fonctionne.

Nous allons ensuite aborder certains mécanismes spécifiques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique à l'aide des SOM.
 

DVFS

Le DVFS (dynamic voltage and frequency scaling) est une fonction des systèmes informatiques modernes qui permet d'adapter automatiquement les fréquences et les tensions de l'unité centrale en fonction de la charge réelle du système.
Dans la solution Digi, cette adaptation peut être entièrement personnalisée par cœur de CPU à l'aide de modèles prédéfinis.

En outre, le DVFS peut également être appliqué au GPU (unité de traitement graphique), ce qui augmente encore le potentiel d'optimisation de l'efficacité énergétique.
 

Configuration du mode de démarrage

Une autre caractéristique à mentionner est la configuration du mode de démarrage. Les systèmes embarqués traditionnels sont entièrement alimentés dès que l'alimentation est branchée. La présence d'une touche d'alimentation peut contribuer à réduire considérablement la consommation d'énergie lorsque le système n'est pas utilisé.

La plateforme SOM Digi ConnectCore offre une option de configuration permettant de passer du mode "boot on power", qui démarre le système dès que l'alimentation est appliquée, au mode "wait for power key", qui ne démarre le système que lorsque l'on appuie sur la touche d'alimentation, et vice-versa. Pour en savoir plus, consultez notre documentation sur la configuration du mode de démarrage.
 

Modes de sommeil et heures de réveil

Le mode d'amorçage va de pair avec les modes de veille, qui permettent d'envoyer le système dans divers états de faible consommation avec différents niveaux de consommation d'énergie pour différents cas d'utilisation.
Ces modes de faible consommation peuvent généralement être mis en place à l'aide d'une configuration logicielle ou matérielle, et peuvent souvent être activés par une application ou un appel système, ou en utilisant des boutons ou une fonctionnalité similaire.

Dans de nombreuses applications, telles que les distributeurs automatiques ou les parcmètres, un temps de réveil rapide à partir d'un état de faible consommation est nécessaire. Vous ne voulez pas que les utilisateurs aient à attendre que le système ait complètement démarré le système d'exploitation dans ces cas d'utilisation.

La suspension du système dans une mémoire vive à rafraîchissement automatique permet des temps de réveil courts avec une consommation d'énergie relativement faible.

Digi a optimisé la plate-forme SOM ConnectCore pour obtenir un temps de réveil ultra rapide de l'ordre de quelques millisecondes.
 

Considérations et compromis en matière de gestion de l'énergie

Comme pour tous les aspects du développement d'un produit embarqué, il y a des compromis à prendre en compte. C'est certainement le cas des modes de veille et des temps de réveil. Par exemple, si le temps de réveil n'est pas l'aspect le plus important de votre application, vous pouvez opter pour la consommation d'énergie la plus faible.
Toutefois, dans la plupart des applications, il ne suffit pas de réduire la consommation d'énergie. Souvent, vous souhaitez maintenir au moins une horloge pour conserver la date et l'heure, ou offrir plus d'options pour redémarrer le système que de simplement le brancher sur le secteur. De nombreux systèmes proposent un mode hors tension ou un mode RTC pour fournir cette fonctionnalité avec une consommation d'énergie aussi faible que possible.

Voici un contexte pratique pour ces considérations avec des valeurs réelles, qui peuvent aider à illustrer l'ampleur. Un système typique sur module basé sur un processeur NXP i.MX qui consomme normalement environ 500mW sous forte charge, par exemple lors du décodage d'une vidéo, pourrait consommer environ 10mW en suspension vers la RAM et moins de 10uW en mode hors tension ou RTC. Il s'agit d'un compromis pratique entre le temps de réveil le plus rapide et la consommation d'énergie la plus faible, et vous pouvez bien sûr combiner les deux options selon vos besoins.
 

Gestion des événements de réveil

Les systèmes efficaces fournissent plusieurs sources d'événements de réveil qui peuvent être utilisés pour reprendre le fonctionnement à partir de n'importe quel état de faible consommation.

L'une des sources de réveil les plus courantes est un GPIO capable d'interruption, qui peut être basculé à l'aide d'un composant externe. L'approche la plus simple consiste à utiliser un bouton ou un interrupteur, mais elle peut être utilisée pour une logique plus sophistiquée à l'aide d'un microcontrôleur externe.

Une autre option très courante consiste à utiliser l'horloge en temps réel pour simuler une minuterie.

Si le système dispose d'une ou plusieurs broches d'autoprotection, qui sont normalement utilisées pour détecter une intrusion externe non autorisée dans le système - par exemple, un attaquant essayant d'ouvrir le boîtier -, elles peuvent également être utilisées comme source de réveil, pour permettre au système de réagir à une violation de la sécurité, même lorsqu'il est dans un état de faible consommation.
 

Techniques et stratégies de gestion du pouvoir

Dans la mesure du possible, il est bon d'utiliser le composant ayant la plus faible consommation d'énergie du système pour les tâches de gestion de l'énergie. Voici quelques-unes des stratégies à envisager :

• De nombreux développeurs ajoutent des microcontrôleurs externes à très faible consommation pour "externaliser" la gestion de l'alimentation.
• Digi ajoute un contrôleur supplémentaire à faible consommation que nous appelons "microcontrôleur assisté", ou MCA, sur les SOM ConnectCore, mais en dehors des cœurs de traitement réels, qui peut être utilisé pour la gestion de l'énergie. Par exemple, le MCA fournit des GPIO, des broches d'autoprotection, et aussi un port série comme source de réveil supplémentaire. Le système peut être configuré pour se réveiller sur un mot magique arrivant sur l'interface série de ce MCA.
• La touche Power est une fonction utile dont nous avons parlé plus haut, car elle offre la possibilité d'utiliser différents modes de démarrage.
• L'option Wake on LAN - qui permet de réveiller le système à distance via un réseau - est disponible sur de nombreux systèmes, comme pour l'interface série, en utilisant un mot ou un motif magique ou des données arbitraires pour reprendre le fonctionnement normal.
• Enfin, le réveil à partir d'un état de faible consommation à l'aide de la technologie sans fil n'est pas encore très courant dans de nombreux systèmes, car il nécessite que le composant RF du système soit alimenté d'une manière ou d'une autre. Digi a récemment inclus la fonction Wake on Bluetooth sur ses appareils, ce qui constitue un ajout intéressant à la liste des sources de réveil, en ajoutant des options supplémentaires aux applications pour interagir avec les appareils fonctionnant dans des états de faible consommation.

La plupart de ces fonctions nécessitent généralement un accès au système à un niveau inférieur par le biais d'une ligne de commande, ou au moins une configuration au niveau du système d'exploitation.

Un système IoT convivial devrait fournir un mécanisme permettant aux développeurs d'utiliser les fonctions de gestion de l'énergie à partir de leur code d'application.

Digi a ajouté une interface de programmation appelée APIX à ses offres de système d'exploitation, permettant aux programmeurs d'accéder à de nombreuses interfaces matérielles intégrées du système, et en outre cet ensemble d'API fournit également un accès de haut niveau aux capacités de gestion de l'énergie.

Celles-ci peuvent être utilisées, par exemple, pour contrôler les fréquences du CPU et du GPU, désactiver et activer les cœurs du CPU, configurer des modèles de gestion de la température, etc.
 

Considérations d'évolutivité dans la gestion de l'énergie

Un autre point à mentionner dans le contexte de la gestion et de l'efficacité énergétique est l'évolutivité d'un système. Si vous utilisez une solution IoT qui vous permet de passer facilement de dispositifs de faible puissance et de faible performance à des dispositifs plus performants, vous pouvez potentiellement obtenir la mise en œuvre la plus économe en énergie pour une application spécifique, avec des options pour augmenter la fonctionnalité du produit ou optimiser davantage l'efficacité à l'avenir.

De nombreuses solutions de calcul offrent aujourd'hui des architectures hétérogènes avec plusieurs cœurs de CPU de différents niveaux de performance et de consommation, tels que ARM Cortex A, Cortex M et ainsi de suite, qui peuvent être alimentés individuellement selon les besoins. Cela permet de mettre en œuvre des systèmes très efficaces.
Idéalement, le logiciel proposé dans un tel système est optimisé pour utiliser cet avantage matériel. Et cela nous amène à parler des solutions hautement intégrées et évolutives de Digi.
 

Solutions embarquées de Digi

L'unité commerciale OEM Solutions de Digi offre une large gamme de solutions embarquées, notamment :

• La famille de produits Digi ConnectCore® system-on-module, offrant une plateforme logicielle et matérielle hautement intégrée avec une connectivité et une sécurité sans fil intégrées, conçue pour un développement rapide et une mise sur le marché rapide. Il s'agit notamment de systèmes embarqués sur modules basés sur ARM et d'ordinateurs monocartes utilisant les processeurs d'application i.MX de NXP.
• Modules de communication RF et cellulaire Digi prenant en charge divers protocoles pour la connectivité IoT , tels que la RF à courte portée, LoRaWAN et LTE. Il s'agit notamment des modules de communication RF et cellulaire Digi XBee®, qui offrent un facteur de forme commun prenant en charge plusieurs technologies RF, et de la solution Digi LoRaWAN.
• Outre un matériel et des logiciels hautement intégrés, nous disposons d'une suite d'outils de développement, ainsi que de bibliothèques de codes et d'une excellente documentation, qui simplifient encore les activités de conception courantes.

Pour s'assurer de proposer les solutions les plus pointues du marché, Digi s'associe à des leaders tels que NXP, Microsoft Azure et AWS afin de proposer des solutions plus complètes sur le marché.
 

La différence Digi

La mission de Digi consiste à simplifier et à accélérer le développement, le déploiement et la gestion de dispositifs sécurisés et connectésNos solutions sont basées sur une approche systémique de l'intégration que nous appelons "hardware enabled, software defined". Nos solutions reposent sur ces stratégies clés :

• Nous fournissons du matériel de qualité industrielle qui est spécifié pour des températures industrielles de -40 à +85 Celsius. Ces solutions sont conçues et testées pour fonctionner de manière fiable dans des environnements difficiles avec des exigences élevées. Nous permettons à nos clients d'évoluer depuis des appareils à un seul cœur jusqu'à des appareils quadri-cœurs de haute performance avec un facteur de forme commun, tous supportés par notre plateforme logicielle commune Digi Embedded Yocto et Android.
• Digi a beaucoup investi dans la sécurité et nous fournissons un cadre complet de fonctions de sécurité prêtes à la production, appelé Digi TrustFence®, qui permet aux clients de construire des appareils connectés sécurisés sans avoir à supporter les coûts ou le temps supplémentaires nécessaires pour intégrer la sécurité dans les produits.
• Les SOM de Digi intègrent entièrement la connectivité Wi-Fi et Bluetooth et ils sont également intégrés à notre gamme de modules XBee, ce qui offre encore plus de flexibilité avec un large support pour les principales normes IoT comme le cellulaire LTE, le réseau maillé et le sub-GHz à longue portée.
• En complément de tous nos produits matériels, nous proposons des logiciels et des services, notamment Digi Remote Manager®, une plateforme de gestion des appareils et de communication IoT basée sur le cloud.
• Et nous disposons d'équipes d'assistance internationales et d'une division interne de services de conception sans fil pour aider les développeurs et les équipementiers du monde entier.

Contactez-nous pour entamer une conversation. Les experts de Digi peuvent vous aider à identifier la bonne solution pour les exigences de votre application.