S vývojem nových procesorů a integrovaných obvodů se nejen zvyšuje jejich výkon, ale hlavně snižuje jejich spotřeba co se elektrické energie týče. Na stránkách společnosti Intel jsem našel několik zajímavých informacích o aktuální možnosti realizace a nasazení solárního napájení počítačových systémů s procesorem Intel Atom podporující instrukční soubor dvoujádrových procesorů Intel® Core™2 Duo. Ten má právě hlavní výhody v nízké spotřebě a možnosti jen pasivního chlazení.

S tím jak postupně se snižuje cena a roste výkon solárních článků a zároveň klesá spotřeba moderních CPU a MCU je otázka „bezdrátového napájení“ počítačových systémů stále aktuálnější. Nejde o to nahradit napájení notebooků z klasické zásuvky, ale o možnost napájení počítačů či na nich založených systémů ze slunce či dalších alternativních zdrojů v místech, kde prostě ta „zásuvka“ není. Tedy hlavně v přírodě, na stavbách apod.

Tyto možnosti v současné době zvyšují i schopnosti CPU Intel Atom, který v aktivním režimu vystačí s 2 W energie a jen 0,1 W v nízkopříkonový režimu, tzv. Deep Sleep state. Navíc poskytuje nové možnosti přechodu do různých režimů spotřeby a tím k přesnějšímu „dávkování“ příkonu dle aktuálních požadavků na výpočetní výkon, zpracování dat či datové komunikace s okolím. Také použití Flash pamětí jako jediného nosiče dat a softwaru umožňuje proti použitím harddisků velké množství energie ušetřit. Navíc aktuálně vyvíjené nové „přenosné“ verze operačních systémů založených na Linuxu by měly toto možnosti dále podpořit.

Sluncem napájený sledovací systém

Jako příklad možnosti solárně napájeného systému lze uvést dohledávací / sledovací inteligentní senzor. To je například jeden z mnoha případů, kdy napájení sluncem je velmi výhodné, zvláště při plně bezdrátové komunikaci s okolím a předpokládaném venkovním použití například pro hlídání vstupu, sledování okolí památek, venkovního uskladnění materiálu, budovaných staveb či místa životu nebezpečná.

Sáma společnosti Intel jako praktickou ukázku zkonstruovala tento tzv. „Surveillance sensor“ v podobě elektronické desky s procesorem Intel Atom a s ním používaný chipsetu …… fyzicky realizující požadované rozhraní pro připojení Flash paměti pro OS a data a USB komunikační rozhraní pro připojení kamery a modulu bezdrátové WiFi komunikace, která je pro přenos komprimovaného obrazu ideální. Jak již bylo zmíněno výše použití Flash paměti na místo harddisku nejen zvyšuje mechanickou odolnost a spolehlivost systému, ale hlavně má výrazně nižší spotřebu, protože neobsahuje žádné pohyblivé komponenty.

Blokově může mít systém následující strukturu:

• Modul řízení napájení / napěťový regulátor VRM
• Procesor Intel Atom s čipsetem
• 4 GB IDE Flash paměť

Takto navržený systém lze realizovat jako desku 14 x 12 cm nebo pohledu průmyslových standardů například v platformě mini-ITX s deskou velikosti 17 x 17 cm. Z pohledu napájení je pak schopný si vystačit s napájením solárním panelem velikosti 25 x 25 cm, který je schopen dodávat energii 5 W. Samozřejmě s ním je nutné použít i záložní akubaterii, která bude vyrovnávat přebytek nebo naopak nedostatek elektřiny, a také napájecí modul (napěťový regulátor), který bude provádět ono přerozdělování energie solární panel vs. baterie vs. systém.

Stručný popis funkce systému

Před bližším rozborem problematicky napájení je vhodné si nastínit funkci našeho systému. Po spuštění nejdříve systém provádí inicializaci a procesor nastavuje komunikaci s USB kamerou a USB bezdrátovou WiFi komunikaci s přístupovým bodem AP (např. WiFi routerem). Pak si systém vyžádá snímky z kamery a vykoná na nich programem požadované úpravy (např. detekce pohybu, vyhodnocení objektů či kompresi). Následně zařízení vyšle zprávu společně se zpracovaných snímkem na přístupový bod prostřednictvím technologie VPN (Virtual Private Network) a kódovaný WEP (Wired Equivalent Privacy).

Bližší rozbor problematiky napájení

Obecně výše nastíněná dvoučipová počítačová struktura (procesor + čipset) má kombinovaný tepelný ztrátový výkon TDP max. 3 W (0,65 W procesor a 2,3 W čipset) a využívá nízkopříkonový procesorový režim „Deep Sleep state“ též označovaný jako C6, kdy příkon procesoru klesá pod hodnotu 0,1 W. Tento stav řízení napájení je možné navodit softwarově prostřednictvím standardizovaného rozhraní ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) podporovaný kernelem i utilitami Linuxu 2.6. ACPI definuje rozhraní pro rozlišení hardwaru, nastavení zařízení a zprávu napájení (power managment).

Konkrétně během výše nastíněného normálního aktivního provozu spotřebovává deska cca 2,5 A při napájení stejnosměrným napětí 5 V. Během startování systému (bootování) si pak systém vezme ještě navíc dalších 1,2 A. Naopak během nízkopříkonového režimu procesoru je spotřeba jen cca 0,2 A. S touto informací a se znalostí časového procentuálního zastoupení aktivního a nízkopříkonového režimu je pak následně nutné navrhnout správnou kapacitu a výkon záložní baterie definované parametry poskytovaného napětí ve V a kapacity v Ah. Na základě výpočtů pak vychází, že 12 V / 6 Ah baterie může stačit pro napájení systému po dobu 19 hodin, uvažuje-li se cca 5 % zastoupení běžného aktivního provozu, tedy cca 1 hodina. Pokud však bude systém neustále v plně aktivním režimu, klesne výdrž baterie jen na cca 2,4 hod. Případný vývojář tedy musí si definovat všechny možné pracovní situace a jejich spotřebu.

Napájení pro procesory Intel Atom se skládá z napájení jádra procesoru VCC, napájení generátoru hodin VCCA a napájení sběrnice VCCP. Napájecí obvody tak musí zajistit napětí 5 V při spotřebě 1 A, které jsou odebírány z baterie nabíjené solárním panelem. Ten by měl poskytovat při 25 V nabíjecí proud alespoň 1,2 A, aby byl schopen při zvýšeném vybití baterie ji nabíjet a zároveň zajistit provoz systému. S tím souvisí i nutnost zajistit blokování startování / bootování systému při vybité baterii, i když je aktuálně energie dodávána ze solárního panelu. Pokud by totiž v tento moment začalo bootování, která má ze všech režimů nejvyšší spotřebu, solární články by to přetížilo či při nejmenším by to znemožnilo nabíjení baterie, která by v okamžiku zastínění panelu opět způsobilo pád systému.

Hlavní díl řízení spotřeby však padá na vrub společného optimalizování hardwarové i softwarové části systému (operačního systému). Moderní OS pracují s otevřenou průmyslovou specifikací ACPI vyvinuté společnostmi HP, Intel Microsoft a Toshiba, pomocí které lze efektivně řídit přechod procesoru mezi různými příkonovými režimy. Prakticky zahrnuje prostředky řízení spotřeby BIOSu, APM aplikace (Advanced Power Management) v rámci API (Application Programming Interfaces), PNP Bios API a tabulky specifikace multiprocesoru nezávisle na procesoru, operačním systému a hardwaru. Logika řízení sleep režimu v procesorech podporující ACPI používají různé útlumové režimy označené jako C0 až Cn.

Základní mechanismus ACPI vrstvy softwaru pro řízení režimu spotřeby procesoru pracuje následovně:

Když je jádro aktivní, procesor běží v režimu C0. Jestliže je jádro nečinné, dojde automaticky k přesunu do úsporného režimu, který odpovídá aktuální potřebě výkonu a spotřeby. Režim C1 reprezentuje stav s nejmenší úsporou, ale k přechodu může dojít téměř okamžitě v porovnání s režimy C4 a C6 reprezentující velké snížení spotřeby (tzv. Deep Sleep state). K přechodu z režimu C0 je však relativně pomalé. Rozdíl mezi C4 a C6 je pak v redukování počtu napájecích napětí jádra. Konkrétně například v případě CPU Intel Atom Z510 je zde spotřeba asi 8x menší než v režimu C0. ACPI také umožňuje ovladačů zařízení snížit příkon připojených periferií. Například řadič gigabitového ethernetu Intel 82541ER může automaticky přecházet do režimu režimu „Smart Power Down“, když není na vodičích detekován žádný signál. Vhodné časové řízení softwarových aplikací společně s vhodným ovládáním hardwaru pak stojí za klíčovými desetinami i jednotkami ušetřených wattů elektrické energie.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky výrobce, společnosti Intel - www.intel.com
• Jednodeskový průmyslový počítač s novým CPU Intel Atom - automatizace.hw.cz/novinka-sbc-pocitac-ecmqb-s-novym-procesorem-intel-atom
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz