Модуль Arduino и GSM годами работает на литий-первичных батареях

Чтобы быть ясным, я думаю, что то, что вы предлагаете, вполне достижимо, но не тривиально. Будет много областей, которые вам придется оптимизировать, чтобы получить желаемую производительность.

Я бы подошел к этому, запустив Arduino непосредственно от ячейки LiSOCl (что-то вроде ER34615) с суперконденсатором 1F (номинальное напряжение 5,5 В) параллельно с ячейкой для обслуживания требований к потреблению пикового тока. Точное значение требуемого конденсатора будет зависеть от точной величины и формы волны тока, потребляемого модулем GSM.

Я бы генерировал питание для модуля GSM с помощью повышающего SPMS , выходное напряжение которого было установлено таким, чтобы обеспечить минимальное потребление энергии от самого модуля. Вы можете прочитать это в спецификации или, что еще лучше, самостоятельно измерить энергопотребление в диапазоне рабочего напряжения. Возможно, вы сможете приобрести для этого модуль, но вам, вероятно, придется отрегулировать его выходное напряжение — большинство в этом диапазоне рассчитано на выходное напряжение 5 В. Вы захотите, чтобы эта схема повышения имела контакт включения, чтобы вы могли отключить ее, когда Arduino спит.

Вот блок-схема того, что я предлагаю:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Самому Arduino потребуется удалить все дополнительные схемы потребления энергии — любой линейный регулятор будет иметь ток утечки, который вы не можете себе позволить, и вам также не нужен постоянно включенный светодиод питания или какие-либо буферные операционные усилители. Arduino Pro Mini может быть хорошим кандидатом, поскольку у него есть возможность отключить некоторые из этих вещей (линейный регулятор) и, в первую очередь, нет других (буферных операционных усилителей).

Вы также захотите использовать внутренний RC-генератор, а не кристалл на плате. См . здесь некоторые идеи по снижению энергопотребления Arduino, которые включают в себя некоторые подробности о том, как это сделать (вам нужно будет установить правильные настройки предохранителей с помощью надлежащего программатора ICSP). Вы также захотите загрузить свой код через ICSP, поскольку точность встроенного генератора может быть недостаточно хорошей для загрузчика UART.

Re: сдвиг уровня, вы можете обойтись без ничегонеделания (для сигналов от Arduino к модулю GSM) и делителя потенциала с относительно высоким сопротивлением (для сигналов, идущих в обратном направлении). Это будет зависеть от точного характера соединения, скорости передачи/частоты и допустимых логических уровней на модуле GSM. Также предполагается, что вы не используете двунаправленный протокол, такой как I2C, - для этого вам понадобится переключатель уровня на основе MOSFET, такой как этот , - они будут нормально работать при упомянутых вами напряжениях.

Что касается времени автономной работы, трудно сказать точно, потому что у нас нет от вас точных цифр. Однако примерный расчет будет выглядеть так:

Предположим, ток сна составляет 5 мкА (должно быть достижимо 1 мкА, но будем пессимистами). Это 120 мкАч в день с сотового. Если предположить среднее потребление 500 мА от модуля GSM в течение 1 минуты, это дополнительные 8 333 мкАч в день. Но мы не учли повышающий преобразователь. Предполагая, что напряжение ячейки составляет 3,6 В (оно будет уменьшаться по мере разрядки ячейки), а выходной сигнал повышающего преобразователя составляет 4 В, потребление тока в ячейке будет в 4/3,6 = 1,11 раза выше, чем в модуле GSM. Добавьте предполагаемый КПД преобразователя 80% (у вас должно быть намного лучше), и потребление энергии составит около 8 333 x 1,11 / 0,80 = 11 574 мкАч в день для модуля GSM.

Добавьте исходный ток покоя 120 мкАч, и это 11,7 мАч в день. Однако pjc50делает отличное замечание о токе утечки суперконденсаторов. Для одного суперконденсатора 1F 5,5 В я посмотрел, ток утечки был указан в 300 мкА! И это через 30 минут - до этого времени значительно хуже. Предполагая постоянную утечку 300 мкА в течение 24 часов, это дополнительные 7 200 мкАч — увеличение потребления на 60% без какой-либо выгоды. Имея это в виду, стоит включить крышку для зарядки на некоторое время, прежде чем включать SMPS и подключаться к сети GSM — и отключать, когда вы закончите. Этого легко добиться с помощью полевого МОП-транзистора, показанного на предложенной схеме. Таким образом, вы все равно потеряете некоторое количество дополнительных мкАч в течение дня, но оно будет ограничено (абсолютным максимумом) зарядом, хранящимся в конденсаторе при полной зарядке (3,6 В x 1Ф = 3,6C -> 1000 мкАч при 3,6 В) и скорее всего намного меньше. Но давайте

ER34615 имеет емкость 19 Ач при напряжении 3,6 В, что на бумаге соответствует примерно (19/0,0127)/365,25 = 4,1 года автономной работы. Конечно, ваш пробег может варьироваться, и вы захотите тщательно контролировать как свое устойчивое состояние, так и передаваемые токи (используя осциллограф, предпочтительно тот, который может интегрироваться под кривой) во время разработки, чтобы убедиться, что вы на правильном пути.

Однако у вас впереди долгий путь, если многие концепции в этом ответе являются для вас новыми. Если это университетский проект, я предлагаю купить вашему научному руководителю несколько бутылок пива (или что-то другое, что ему подходит) и взять его с собой. Если это личный проект, вам нужно подружиться с жаждущим инженером-электронщиком с запасом времени!

Удачи.