Ultrazuinige GPS-positionering voor IoT- en trackingtoepassingen

Een veel toegepaste strategie om stroomverbruik te beperken is het apparaat alleen maar ‘aan' te zetten als dat nodig is. Dat zie je ook bij GNSS-ontvangers, die alleen uit hun slaaptoestand ontwaken als, al dan niet tijdgedreven, om de GPS-positie wordt gevraagd. Nadat de ontvanger verbinding heeft gemaakt met het satellietsignaal worden via de voor civiel gebruik gereserveerde L1- en de voor militaire doeleinden bedoelde L2-band verschillende gegevens opgehaald. Dat zijn met name positie van de satelliet en de actuele tijd die met die positie in verband kan worden gebracht. Rekening houdend met een ionosferisch vertragingsmodel kan op basis van die data van tenminste vier satellieten de realtime positie van de ontvanger worden bepaald.

Vooraf downloaden is zuiniger

Bij conventionele GNSS-ontvangers kan het tot wel 30 seconden of meer duren voordat er voldoende informatie is binnengekomen om de eerste positie te berekenen. Dat kost veel energie, en is helemaal niet nodig bedachten enkele slimme engineers van het Canadese bedrijf Baseband Technologies al enkele jaren geleden. De positie van de satelliet is namelijk geen absoluut gegeven, maar is een (zeer betrouwbare) voorspelling van die positie. Deze zogenaamde satelliet-efemeriden zijn in wezen niet anders dan de efemeriden die al eeuwen worden gebruikt in de astronomie en astrologie: een tabel met een voorspelling van plaats en tijd van een object in de ruimte, of dat nu een planeet, een ster of een satelliet is.

Zo'n tabel, die je dus al maanden van tevoren kan maken, wordt naar de satelliet gestuurd, zodat iedereen die met die bepaalde satelliet in contact komt van die satelliet dezelfde efemeriden krijgt. Maar je kunt die gegevens ook via een andere route krijgen. Vanuit deze gedachte ontwikkelde Baseband Technologies de snapshot-technologie die er op neerkomt dat je mede door de gepatenteerde algoritmes genoeg hebt aan een klein deel van de satellietinformatie; het leeuwendeel is namelijk al aanwezig in de ontvanger in de vorm van -in het geval van de snapshot-technologie- 28 dagen aan efemeriden-data die is gedownload vanuit een cloud-server. Een ‘snapshot' van slechts enkele seconden volstaat nu voor de ontvanger.

Flexibele GPS-oplossing

Met het MAX2769 GPS-referentieboard heeft de ontwikkelaar een complete GPS-oplossing in handen waarmee hij zijn toepassingen kan optimaliseren voor de nauwkeurigheid van de GPS-positie en daarbij de consequenties voor het energieverbruik kan meten. Cruciale componenten op de kaart zijn de MAX2769C GNSS L1 ontvanger en de MAX32632 ARM Cortex M4 microcontroller, waarop de snapshot-firmware draait en de signaalverwerking tot aan het bepalen van de positiecoördinaten plaatsvindt.

De functionaliteit van de ontvanger kan je opdelen in drie functieblokken:

• Signal Capture (SC): het binnenhalen van het satellietsignaal.
• Signal Processing (SP): het verwerken van het signaal tot een meetwaarde.
• Position Estimation (PE): het vertalen van de meetwaarde tot een schatting van de positie van de ontvanger.

De functionaliteit van de GPS-ontvanger is op te delen in drie functieblokken.

Al naar gelang de toepassing die je voor ogen hebt, kan je het werk van één, twee of drie functieblokken in de ontvanger laten plaatsvinden en de rest ‘off-board' door een server op afstand laten doen.

• Bij modus 1 vindt alleen SC in de ontvanger plaats. Die stuurt het signaal door naar een server, die SP en PE voor zijn rekening neemt. Dit is qua BoM de goedkoopste oplossing (alleen de MAX2769C is nodig en een manier om de data naar de server te krijgen) en is aan te raden indien niet vaak (in de orde van één keer per dag) een positie hoeft te worden bepaald, bijvoorbeeld bij tracking van dieren of het vinden van een auto op een parkeerplaats. Met verzenden van een relatief grote datafile naar de server is wel relatief veel energie gemoeid; vaker per dag is qua energiegebruik niet echt een optie.
• In modus 2 vindt ook de signaalverwerking in de ontvanger plaats. Deze optie kost van de drie manieren het minste energie. De datafile is nu kleiner en kan dus vaker worden verstuurd, bijvoorbeeld vier keer per dag. Een toepassing is het tracken van pallets.
• Bij modus 3, voor toepassingen met camera's en wearables, wil je snel de positie weten en hoeven er geen data naar een server te worden gestuurd. Hier kan met behulp van de lokale efemeriden de schatting van de positie direct worden gemaakt. De enige data-uitwisseling die plaatsvindt is het downloaden van de efemeriden-data (± 20 kB/week).

Al naar gelang de toepassing die je voor ogen hebt, kan je het werk van één, twee of drie functieblokken in de GPS-ontvanger laten plaatsvinden en de rest ‘off-board' door een server op afstand laten doen.

Praktijkvoorbeeld

Een pluspunt van de snapshot-firmware is dat die kan werken met verschillende acquisitie-intervallen: 4, 6, 8, 10, 16, 22 of 30 ms. Je kunt zo optimaliseren voor positienauwkeurigheid en energieverbruik. Een groter acquisitie-interval levert meer nauwkeurigheid, maar vergt wel meer signaalverwerking en kost dus meer energie.

Maxim rekent voor dat met de Maxim/BTI-oplossing het energieverbruik voor de positiebepaling bij 1 update per uur rond de 18 µWh ligt, terwijl daar bij een concurrerende conventionele GNSS-ontvanger ruim 170 µWh voor staat. Beide benaderingen gebruiken een kleine 10 µWh om de berekende positie te verzenden. Bij de Maxim/BTI-oplossing komt er alleen nog een paar µWh bij voor het al eerder downloaden van de efemeriden-data. Vertaald naar de praktijk betekent dit dat bij het kortste acquisitie-interval van 4 ms een 100 mAh batterij het meer dan een jaar volhoudt.

Li, alkaline of knoopcel

Het referentieboard is geoptimaliseerd voor herlaadbare Li-batterijen. De receiver-IC heeft minimaal 2,7 V nodig; voor de micro is dat 1,8 V. Dat kan prima worden gemanaged met de MAX14690 PMIC, die hiervoor is uitgerust met twee buck's, een oplader en drie LDO's. Voor alkalinebatterijen wordt de MAX20310 aangeraden, met twee buck-boost uitgangen en twee lineaire regelaars. De MAX14720/50 kunnen worden gebruikt bij knoopcellen. Zij hebben één buck-regelaar, één buck-boost uitgang en één lineaire regelaar. Bij knoopcellen heb je ook een nanoPower boost converter nodig om van de 2 V de benodigde 2,7 V te maken voor de receiver. Dat kan met de MAX1722-familie.

Meer energiewinst

Op het referentieboard zijn nog twee voorbeelden te vinden van componenten, die voor een verdere reductie van het energieverbruik zorgen. De eerste is een aparte RTC, in de vorm van de MAX31341. De meeste MCU's hebben een interne realtime clock, die zelfs in de diepste slaapstand nog 1mA aan stroom trekt. Door de functie van realtime clock uit de MCU te halen en te laten uitoefenen door een externe RTC is dat nog maar 180 nA.

De tweede verbetering betreft een verdere reductie van de slaapstroom van de receiver-IC, die in shutdown zo'n 200 µA trekt. Door een ideale diode in het stroomcircuit te plaatsen zal de voedingsspanning nauwelijks lager worden (typisch 28 mV bij 0,1 A), maar neemt wel de slaapstroom af naar 300 nA.

Bron: Elektrodata 1 - 2021