कल्पना कीजिए कि आपकी स्मार्टवॉच रात के खाने से पहले ही बंद हो जाए। आप अलर्ट, स्टेप काउंट और हार्ट रेट की जानकारी से वंचित रह जाएंगे। कम बैटरी लाइफ से उपयोगकर्ता नाखुश होते हैं।
उपयोगकर्ताओं को सबसे पहले जिस चीज का पता चलता है, वह है बैटरी। बैटरी की कम लाइफ और बार-बार चार्जिंग की जरूरत उपयोगकर्ताओं को नाखुश करती है।
डिजाइनरों के सामने एक बड़ी चुनौती है। उन्हें छोटे वियरेबल डिवाइसों में अधिक सुविधाएं जोड़नी होंगी, लेकिन साथ ही यह भी सुनिश्चित करना होगा कि वे ज्यादा बिजली की खपत न करें। उन्हें ऊर्जा खपत पर कड़ी नजर रखनी होगी। पुरानी, स्थिर बिजली खपत प्रणाली उपयोगकर्ताओं की आदतों में होने वाले बदलावों के साथ तालमेल नहीं बिठा पाती , जिसके परिणामस्वरूप बिजली बर्बाद होती है। इससे बार-बार चार्जिंग करनी पड़ती है और बैटरी अचानक खत्म हो जाती है।
यह लेख वियरेबल डिज़ाइन के लिए कम बिजली खपत को अनुकूलित करने की प्रक्रिया को समझाता है। यह प्रदर्शन, ऊर्जा उपयोग और उपयोगकर्ता अनुभव के बीच संतुलन बनाने की एक स्पष्ट योजना प्रस्तुत करता है। आप समस्या को समझेंगे, बिजली खपत के विकल्पों पर विचार करेंगे और समझदारी भरे विकल्प चुनना सीखेंगे।
चाबी छीन लेना
बैटरी की लाइफ बढ़ाने के लिए MSP430 या ARM Cortex-M0+ जैसे कम पावर वाले पार्ट्स चुनें।
सेंसर को पल्स में चालू और बंद करने के लिए ड्यूटी साइक्लिंग का उपयोग करें, जिससे ऊर्जा की खपत आधे से अधिक कम हो जाती है।
उपयोगकर्ता की गतिविधियों के आधार पर बिजली की खपत को बदलने के लिए संदर्भ-जागरूक संवेदन का उपयोग करें, जिससे उनके आराम करने के दौरान बैटरी की बचत हो सके।
ऊर्जा संचयन और एआई-आधारित विद्युत प्रबंधन का उपयोग करके बिजली की खपत को और भी कम करें।
भारी कार्यों को किसी सहयोगी डिवाइस पर भेजकर और बीएलई जैसे कम बिजली खपत वाले वायरलेस प्रोटोकॉल का उपयोग करके प्रदर्शन और दक्षता में संतुलन बनाए रखें।
पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बिजली की खपत
आप जितने भी पहनने योग्य उपकरण बनाते हैं, उनमें एक ही समस्या होती है: छोटे से केस में ऊर्जा की कमी। किसी भी चीज़ को बेहतर बनाने से पहले आपको यह जानना होगा कि वह ऊर्जा कहाँ खर्च होती है। मुख्य रूप से ऊर्जा खपत करने वाले उपकरण सेंसर, प्रोसेसर, वायरलेस रेडियो और डिस्प्ले हैं । प्रत्येक भाग कुछ बैटरी का उपयोग करता है, और ये सभी मिलकर तय करते हैं कि आपका उपकरण कितने समय तक काम करेगा।
वेयरेबल डिवाइसों में प्राथमिक पावर खपत
सेंसर लगातार डेटा इकट्ठा करते रहते हैं। प्रोसेसर उस डेटा को उपयोगी जानकारी में बदल देते हैं। वायरलेस रेडियो परिणामों को फोन या क्लाउड पर भेजते हैं। डिस्प्ले उपयोगकर्ताओं को महत्वपूर्ण जानकारी दिखाते हैं। प्रत्येक भाग अपनी-अपनी तरह से बिजली की खपत करता है, और आपको इन आंकड़ों की जानकारी होनी चाहिए।
घटक श्रेणी | विशिष्ट घटक | बिजली की खपत |
|---|---|---|
सेंसर (हृदय गति अधिग्रहण) | इलेक्ट्रॉनिक टैटू सेंसर | 3 मेगावाट |
पीपीजी सेंसर के साथ स्ट्रेचेबल ओएलईडी ऐरे | 16.5 मेगावाट | |
संपीड़ित संवेदन पीपीजी आईसी | 1.66 मेगावाट | |
उच्च सैम्पलिंग दर वाला सिस्टम | 13.468 मेगावाट | |
प्रोसेसर (हृदय गति गणना) | बायोएआईपी प्रोसेसर | १०० μW |
त्रिगुणीय तंत्रिका नेटवर्क प्रोसेसर | 746 एनडब्ल्यू | |
कम-शक्ति सांख्यिकीय एफएफटी | 2.4 मेगावाट | |
वायरलेस (संचरण) | बीएलई वायरलेस सेंसर पैच | 3 मेगावाट से कम |
डीसीटी-IV संपीड़न एल्गोरिदम | 5 मेगावाट से कम | |
गतिशील प्रतिक्रिया अनुकूली मॉड्यूलेशन | 60 मेगावाट | |
वायरलेस ट्रांसमिशन के साथ हृदय गति निगरानी प्रणाली | 44.57 मेगावाट | |
तीन-लीड पोर्टेबल वायरलेस ट्रांसमिशन सिस्टम |
अंतर आश्चर्यजनक है। एक छोटा न्यूरल नेटवर्क प्रोसेसर केवल 746 nW बिजली की खपत करता है, जबकि एक पूरा वायरलेस ट्रांसमिशन सिस्टम 72.6 mW बिजली की खपत करता है। यह अंतर बहुत बड़ा है। आपके द्वारा चुने गए पुर्जे सीधे तौर पर आपके बिजली बजट को प्रभावित करते हैं।
बैटरी की जीवन अवधि में आकार कारक की भूमिका
आपके पहनने योग्य उपकरण का आकार उसकी बैटरी क्षमता को सीमित करता है। बैटरी पैक को छोटा करने पर उसमें कम ऊर्जा संग्रहित हो पाती है । स्मार्ट रिंग में स्मार्टवॉच की तुलना में बहुत कम जगह होती है, इसलिए उसकी बैटरी कम ऊर्जा संग्रहित करती है। यह सीमा आपको शुरुआत से ही दक्षता के बारे में सोचने पर मजबूर करती है।
कम ऊर्जा खपत करने वाले पुर्जे खरीदने से बैटरी की उम्र बढ़ती है। बिजली प्रबंधन योजनाएँ बहुत महत्वपूर्ण हो जाती हैं। आप सिर्फ एक बड़ी बैटरी लगाकर काम नहीं चला सकते। आपको बिजली की खपत कम करनी होगी।
वायरलेस संचार के बारे में सोचें। फास्ट मोड में BLE विज्ञापन लगभग 0.48 mA करंट का उपयोग करता है । मीडियम मोड में लगभग 0.078 mA करंट लगता है। स्लो मोड में केवल 18 µA करंट लगता है। आपका माइक्रोकंट्रोलर सक्रिय होने पर लगभग 4 mA करंट का उपयोग करता है, जबकि IMU सेंसर 5 µA से भी कम करंट का उपयोग करता है। ये आंकड़े दर्शाते हैं कि आपकी संचार योजना कितनी महत्वपूर्ण है।
आपकी पावर मैनेजमेंट योजना में इन सभी बातों का संतुलन होना चाहिए। आपको यह तय करना होगा कि कौन से हिस्से चालू रहेंगे और कौन से बंद। आपको यह चुनना होगा कि डेटा कब भेजना है और कब उसे स्थानीय रूप से सहेजना है। हर निर्णय आपकी बैटरी लाइफ और उपयोगकर्ता के अनुभव को प्रभावित करता है।
कम बिजली खपत अनुकूलन के लिए हार्डवेयर डिज़ाइन
सही पुर्जों का चुनाव आपके पावर बजट को समझने से शुरू होता है। आपको ऐसे प्रोसेसर चाहिए जो लंबे समय तक स्लीप मोड में रह सकें। आपको ऐसे सेंसर चाहिए जो बहुत कम बिजली की खपत करें, न कि ज्यादा। एम्बिएंट साइंटिफिक का GPX10 प्रोसेसर एक विशेष एनालॉग, इन-मेमोरी कंप्यूटिंग डिज़ाइन का उपयोग करता है। इससे पहनने योग्य चिकित्सा उपकरण छोटी बैटरी पर महीनों तक AI चला सकते हैं। यह अल्ट्रा-लो-पावर चिप तकनीक में एक बड़ा कदम है।
आपके द्वारा चुने गए पुर्जे ही आपकी ऊर्जा खपत योजना को निर्धारित करते हैं। एक ऐसा सिस्टम-ऑन-चिप चुनें जिसमें कई कम ऊर्जा खपत वाले मोड हों। मुख्य प्रोसेसर को ज़्यादातर समय स्लीप मोड में रखें। डेटा एकत्र करने के लिए एक अत्यंत कम ऊर्जा खपत वाले कंट्रोलर का उपयोग करें। यह कंट्रोलर मुख्य प्रोसेसर को केवल आवश्यकता पड़ने पर ही जगाता है। इस तरह के डिज़ाइन से ऊर्जा की काफी बचत होती है।
अपने डिस्प्ले का चुनाव सोच-समझकर करें। AMOLED स्क्रीन, जिनमें प्रत्येक पिक्सेल को बंद करने की सुविधा होती है, LCD की तुलना में 40% तक कम बिजली की खपत करती हैं । छोटे उपकरणों में यह अंतर बहुत मायने रखता है। बैटरी का आकार वही रहता है, इसलिए बचाई गई हर मिलीवॉट बिजली बैटरी को ज़्यादा समय तक चलाती है।
ऊर्जा-कुशल घटकों का चयन
प्रोसेसर से शुरुआत करें। ऐसे चिप्स चुनें जो स्वाभाविक रूप से कम बिजली की खपत करते हों। सरल कार्यों के लिए MSP430 परिवार अभी भी एक अच्छा विकल्प है। कठिन कार्यों के लिए, डायनेमिक वोल्टेज और फ़्रीक्वेंसी स्केलिंग (DVFS) वाले प्रोसेसर चुनें । DVFS सिस्टम की तात्कालिक आवश्यकता के अनुसार वोल्टेज और गति को बदलता है। सरल कार्यों के दौरान, सिस्टम धीमी गति से चलता है । जब उपयोगकर्ता को तेज़ प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, तो प्रोसेसर की गति बढ़ जाती है। अध्ययनों से पता चलता है कि कम बिजली खपत वाले VLSI डिज़ाइनों में DVFS 27.74% से 47.74% तक ऊर्जा बचाता है। यह वास्तविक, मापने योग्य बिजली बचत को दर्शाता है।
वायरलेस कनेक्टिविटी का विकल्प भी मायने रखता है। ब्लूटूथ लो एनर्जी (BLE) अभी भी वियरेबल डिवाइसों के लिए मानक है। यह कम पावर खपत को आसानी से संभाल लेता है। बहुत कम दूरी के लिए, NFC और भी कम बिजली की खपत करता है। वाई-फाई या सेलुलर नेटवर्क का उपयोग केवल कभी-कभार, उच्च गति वाले डेटा ट्रांसफर के लिए करें।
बैटरी तकनीक लगातार बेहतर होती जा रही है। सिलिकॉन-कार्बन कंपोजिट एनोड डिवाइस का आकार बढ़ाए बिना ऊर्जा घनत्व को लगभग 25% तक बढ़ा देते हैं। इसका मतलब है कि समान स्थान में अधिक शक्ति। ऊर्जा संचयन एक और विकल्प प्रदान करता है। टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स का bq25570 IC शरीर की गर्मी, गति या प्रकाश से कमजोर ऊर्जा को ग्रहण करता है। यह 300-400 mV इनपुट को 3-5 V तक बढ़ाकर बैटरी को चार्ज करता है। केवल संचित ऊर्जा से स्मार्टवॉच नहीं चल सकती, लेकिन यह बैटरी को मदद करती है और रनटाइम बढ़ाती है।
पीसीबी लेआउट और पावर गेटिंग तकनीकें
आपके सर्किट बोर्ड का लेआउट सीधे तौर पर पावर मैनेजमेंट को प्रभावित करता है। उपयोग में न आने वाले ब्लॉकों को पूरी तरह बंद करने के लिए पावर गेटिंग का उपयोग करें । इससे निष्क्रिय भागों में लीकेज करंट कम हो जाता है। डायनेमिक वोल्टेज स्केलिंग पावर गेटिंग के साथ मिलकर काम करती है। ये दोनों मिलकर एक संपूर्ण पावर रिडक्शन प्लान बनाते हैं।
अपने पीसीबी को कई पावर रेल के साथ डिज़ाइन करें। एक पावर मैनेजमेंट इंटीग्रेटेड सर्किट (पीएमआईसी) इन रेलों के बीच पावर को नियंत्रित और प्रसारित करता है। पीएमआईसी चार्जिंग का प्रबंधन करता है और सुरक्षा सुविधाएँ प्रदान करता है। यह विभिन्न भागों को अलग-अलग वोल्टेज स्तर भी प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, आपका सेंसर रेल 1.2V पर चल सकता है, जबकि आपके रेडियो रेल को 1.8V की आवश्यकता हो सकती है।
तापमान प्रबंधन भी महत्वपूर्ण है। अधिक बिजली के उपयोग से अधिक गर्मी उत्पन्न होती है। यह गर्मी सिर या कलाई पर पहने जाने वाले उपकरणों के लिए असुविधा या सुरक्षा संबंधी समस्याएं पैदा कर सकती है। गर्मी को समान रूप से फैलाने के लिए कम तापीय प्रतिरोध वाले पीसीबी का उपयोग करें। उच्च दक्षता वाले पुर्जे हॉटस्पॉट बनने से पहले ही उन्हें कम कर देते हैं।
SoC के अंदर उपयोग में न आने वाली पेरिफेरल घड़ियों को बंद कर दें। प्रत्येक सक्रिय घड़ी बिजली की खपत करती है। पेलोड का आकार कम करने के लिए अनुकूलित डेटा फ्रेम प्रारूप सेट करें। छोटे पेलोड का मतलब है कम ट्रांसमिशन समय। कम ट्रांसमिशन समय का मतलब है कम रेडियो बिजली की खपत।
मरीज को सूचित करने वाले उपकरणों जैसे वाइब्रेटर, एलईडी और डिस्प्ले को अल्ट्रा-लो-पावर कंट्रोलर से कनेक्ट करें। इस सेटअप से मुख्य प्रोसेसर स्लीप मोड में रहता है। लो-पावर कंट्रोलर सरल कार्यों को संभालता है। यह केवल जटिल विश्लेषण के लिए मुख्य प्रोसेसर को सक्रिय करता है। यह डिज़ाइन स्लीप मोड के समय को अधिकतम करता है और ऊर्जा की बर्बादी को कम करता है।
आपकी पावर मैनेजमेंट योजना में हर पहलू का ध्यान रखना ज़रूरी है। हर निर्णय पूरे सिस्टम को प्रभावित करता है। बेहतर पावर मैनेजमेंट से बैटरी की लाइफ बढ़ती है। सोच-समझकर किया गया डिज़ाइन परफॉर्मेंस और एफिशिएंसी के बीच संतुलन बनाए रखता है। इसका नतीजा यह होता है कि डिवाइस पूरे दिन चलता है और यूज़र्स खुश रहते हैं। वियरेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में हर निर्णय मायने रखता है। वियरेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक संपूर्ण सिस्टम दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। ऊर्जा दक्षता कंपोनेंट स्तर से शुरू होती है। यह ऑप्टिमाइजेशन व्यक्तिगत पार्ट्स से कहीं आगे तक जाता है।
विद्युत प्रबंधन के लिए सॉफ्टवेयर और संचार रणनीतियाँ
आपके हार्डवेयर विकल्प आधार तैयार करते हैं, लेकिन फर्मवेयर यह तय करता है कि आप उस पावर का कितना बेहतर उपयोग करते हैं। स्मार्ट सॉफ्टवेयर बिना किसी पुर्ज़े को बदले बैटरी लाइफ को काफी बढ़ा सकता है। मुख्य बात यह जानना है कि आपका डिवाइस कब सक्रिय होना चाहिए और कब सुरक्षित रूप से स्लीप मोड में जा सकता है।
फर्मवेयर अनुकूलन और ड्यूटी साइक्लिंग
ड्यूटी साइक्लिंग आपके पावर मैनेजमेंट किट के सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक है। सेंसर को लगातार चलाने के बजाय, आप निष्क्रिय अवधि के दौरान उन्हें कम दर पर पल्स कर सकते हैं। एक गैस सेंसर के बारे में सोचें जिसमें एक हीटर लगा है जो लगातार 34 mA करंट खींचता है। उस हीटर को 40% ड्यूटी साइकिल पर पल्स करके, आप औसत करंट को 15.65 mA तक कम कर सकते हैं। बिजली की खपत 102 mW से घटकर 46.95 mW हो जाती है । सेंसर तेजी से प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त गर्म रहता है, फिर भी आप आधी से अधिक ऊर्जा बचाते हैं।
यह प्रक्रिया एक सरल पैटर्न का पालन करती है। सबसे पहले, सेंसर को 2 kHz की पल्स करंट से प्रीहीट करें। 40% से अधिक ड्यूटी साइकिल प्रीहीट समय को खास तौर पर कम नहीं करती। इसके बाद, निष्क्रिय मोड में स्विच करें और 40% पल्स को ऊष्मा बनाए रखने के लिए चालू रखें। अंत में, जब आपको रीडिंग की आवश्यकता हो, तो पूरी DC करंट लगाएं। संग्रहित ऊष्मा सेंसर को जल्दी से कार्यशील तापमान तक ले आती है, इसलिए प्रतीक्षा करने में बहुत कम ऊर्जा बर्बाद होती है।
इवेंट-ड्रिवन फर्मवेयर इन बचत को और बढ़ाता है। पोलिंग लूप को इंटरप्ट-ड्रिवन लॉजिक से बदलें । कार्यों को इस तरह समूहित करें कि वे एक ही वेक साइकिल में चलें। अप्रयुक्त पेरिफेरल्स और क्लॉक्स को बंद करें। डेटा ट्रांसफर के लिए डायरेक्ट मेमोरी एक्सेस का उपयोग करें। प्रत्येक विधि सक्रिय समय को कम करती है, और सक्रिय समय बिजली की खपत करता है।
एम्बेडेड मशीन लर्निंग इसे और आगे ले जाती है। डीप रीइन्फोर्समेंट लर्निंग वास्तविक समय में प्रत्येक उपयोगकर्ता की आदतों के अनुसार अनुकूलित हो जाती है। एक मल्टी-एजेंट सिस्टम प्रत्येक भाग को अलग-अलग नियंत्रित करता है। ट्रांसफर लर्निंग नए उपयोगकर्ताओं के लिए सेटअप प्रक्रिया को तेज करती है। यह दृष्टिकोण बैटरी लाइफ को 36% तक बढ़ाता है और उपयोगकर्ता संतुष्टि को 25% तक बढ़ाता है । आपका डिवाइस सीखता है कि आप कब सोते हैं, कब व्यायाम करते हैं और कब अलर्ट चेक करते हैं। यह उसी के अनुसार अपने संचालन को समायोजित करता है।
कम बिजली खपत वाले वायरलेस प्रोटोकॉल का लाभ उठाना
वायरलेस तकनीक का आपका चुनाव आपके पूरे पावर बजट को निर्धारित करता है। ब्लूटूथ लो एनर्जी (BLE) पहनने योग्य उपकरणों के लिए मानक बना हुआ है, जो 3-5 साल की बैटरी लाइफ प्रदान करता है। LPWAN प्रोटोकॉल 10-15 साल तक चल सकते हैं, लेकिन ये इंटरैक्टिव पहनने योग्य उपकरणों की तुलना में ऐसे उपकरणों के लिए बेहतर हैं जिन्हें एक बार लगाने के बाद भूल जाना हो। इसमें लेटेंसी और डेटा दर में कुछ कमियां हैं। BLE बार-बार होने वाले छोटे ट्रांसमिशन को अच्छी तरह से संभालता है। LPWAN लंबी दूरी पर दुर्लभ, छोटे अपडेट के लिए सबसे उपयुक्त है।
किसी सहयोगी डिवाइस पर गणनाओं का भार स्थानांतरित करने से सिस्टम की बिजली खपत 20% तक कम हो जाती है। आपका वियरेबल डिवाइस कच्चा डेटा एकत्र करता है, उसे फ़ोन पर भेजता है और संसाधित परिणाम वापस प्राप्त करता है। इससे भारी प्रोसेसिंग का भार छोटी बैटरी पर नहीं पड़ता। आपकी बिजली प्रबंधन योजना में इस हाइब्रिड दृष्टिकोण पर विचार किया जाना चाहिए।
संचार शेड्यूलिंग में डिज़ाइन संबंधी विकल्प भी महत्वपूर्ण होते हैं। नियमित अंतराल पर संदेश भेजें। पेलोड को संपीड़ित करें। रेडियो को केवल आवश्यकता पड़ने पर ही सक्रिय करें। ये छोटे-छोटे विकल्प आपके उपकरण के पूरे जीवनकाल में ऊर्जा की बड़ी बचत करने में सहायक होते हैं।
वेयरेबल डिवाइसों में प्रदर्शन और दक्षता के बीच संतुलन बनाना
वेयरेबल डिवाइस डिज़ाइन करते समय आपको लगातार कई विकल्पों का सामना करना पड़ता है। हर नया फ़ीचर पावर खर्च करता है। हर सेंसर बैटरी को खत्म करता है। सबसे ज़रूरी बात यह जानना है कि आपके उपयोगकर्ताओं को वास्तव में क्या चाहिए और कब चाहिए।
उपयोगकर्ता अनुभव में तालमेल बिठाना
सबसे पहले अपने माइक्रोकंट्रोलर का चुनाव करें। ARM Cortex-M0+ बेहतरीन परफॉर्मेंस और कम बिजली खपत का सबसे अच्छा मिश्रण प्रदान करता है। M4 के DSP एक्सटेंशन कल्मन फ़िल्टरिंग जैसे कार्यों को गति देते हैं। तेज़ वेक-अप टाइम और सेल्फ-रनिंग पेरिफेरल्स आपके MCU को तब तक स्लीप मोड में रहने देते हैं जब तक सेंसर थ्रेशहोल्ड एक्शन को ट्रिगर नहीं करते। यह पावर प्लान बिजली की खपत को काफी कम करता है।
बैटरी तकनीक एक और समझौता करने पर मजबूर करती है। डिस्पोजेबल बैटरियां अधिक ऊर्जा संग्रहित करती हैं लेकिन डिजाइन को जटिल बना देती हैं। रिचार्जेबल बैटरियों से पतले डिजाइन बनाना संभव होता है। अनुकूलित आकार की बैटरियां स्थान का सर्वोत्तम उपयोग करती हैं। आपके छोटे आकार के कारण बैटरी की क्षमता सीमित हो जाती है, इसलिए आपको इस सीमा को ध्यान में रखते हुए योजना बनानी होगी।
सेंसर एकीकरण में भी इसी तरह की चुनौतियाँ आती हैं। CMOS आधारित सेंसर कई खूबियाँ प्रदान करते हैं, लेकिन इनके चयन में सावधानी बरतनी पड़ती है। ऑप्टिकल सेंसरों के लिए प्रकाश-पारगम्य सामग्री की आवश्यकता होती है। पावर गेटिंग बैटरी की खपत को कम करती है, लेकिन डिज़ाइन को जटिल बना देती है। आपका सर्वोत्तम एकीकरण स्तर उपयोगकर्ता अनुभव, लागत और उपयोग के मामलों पर निर्भर करता है। यह चुनाव आपकी संपूर्ण पावर योजना को आकार देता है।
वायरलेस संचार आपके सिस्टम में सबसे अधिक बिजली की खपत करता है। ब्लूटूथ स्मार्ट कम बिजली खपत वाला मुख्य विकल्प बना हुआ है। आप कितनी बार और कितना डेटा भेजते हैं, इसका बैटरी लाइफ पर बहुत असर पड़ता है। अधिक डेटा भेजने से बैटरी कुछ ही घंटों में खत्म हो सकती है। सावधानीपूर्वक उपयोग करने से बैटरी हफ्तों या महीनों तक चल सकती है। आपको यह तय करना होगा कि आपका वियरेबल आपके फोन के साथ कितनी बार सिंक होगा। यह शेड्यूल आपकी पावर प्लान का एक अहम हिस्सा है।
संदर्भ-आधारित संवेदन अनावश्यक होने पर संवेदन को बंद कर देता है। उपयोगकर्ता के आराम करते समय आपका पहनने योग्य उपकरण हृदय गति की जाँच को कम कर सकता है। व्यायाम के दौरान यह जाँच को बढ़ा देता है। इससे शांत समय में ऊर्जा की बचत होती है, जबकि सक्रिय उपयोग के दौरान इसकी कार्यक्षमता पूरी बनी रहती है।
संदर्भ-जागरूक संवेदन तकनीक शांत समय के दौरान बैटरी बचाती है, जबकि सक्रिय उपयोग के दौरान पूर्ण कार्यक्षमता बनाए रखती है।
सफल संतुलन के वास्तविक जीवन के उदाहरण
आधुनिक वियरेबल डिवाइस कई प्रोसेसरों में काम बांट देते हैं। एक मुख्य हाई-परफॉर्मेंस MCU, डेडिकेटेड सेंसर हब और हमेशा चालू रहने वाले को-प्रोसेसरों के साथ मिलकर काम करता है। निष्क्रिय रहने पर, मुख्य CPU बहुत कम बिजली का उपयोग करते हुए डीप स्लीप मोड में चला जाता है। माइक्रोएम्प्स पर चलने वाला एक छोटा सेंसर हब स्टेप काउंटिंग जैसे सरल कार्यों को संभालता है। मुख्य प्रोसेसर केवल ग्राफिक्स या कॉल जैसे कठिन कार्यों के लिए ही सक्रिय होता है।
एडैप्टिव मेमोरी कम्प्रेशन से वास्तविक परिणाम मिलते हैं। यह विधि परफॉर्मेंस को बनाए रखते हुए मेमोरी एक्सेस की वास्तविक आवश्यकता को कम करती है। अध्ययनों से 20-25% बिजली की बचत का पता चलता है । पावर-अवेयर मेमोरी शेड्यूलिंग अतिरिक्त मेमोरी को केवल अनुमानित व्यस्त समय के दौरान ही चालू करती है। इससे बैटरी की दक्षता में 30% तक सुधार होता है।
विधि | ट्रेड-ऑफ पर मात्रात्मक प्रभाव |
|---|---|
अनुकूली नमूनाकरण (एनएसएफ अध्ययन) | यह डेटा की मात्रा को 69% तक कम करता है और कोर सबसिस्टम की बिजली खपत को 57% से अधिक घटाता है। |
एज एआई / टाइनीएमएल (एमडीपीआई अनुसंधान) | यह गतिविधि का पता लगाने में 88% से अधिक सटीकता प्रदान करता है और साथ ही कच्चे डेटा भेजने की मात्रा को भी कम करता है। |
ड्यूटी-साइक्लिंग के साथ सेंसर फ्यूजन | माप की सटीकता में लगभग कोई कमी आए बिना लगभग 35% ऊर्जा की बचत होती है। |
अच्छे उपभोक्ता पहनने योग्य उपकरणों में कुछ सामान्य डिज़ाइन सिद्धांत होते हैं। ये उपयोगकर्ताओं के आनंद को बढ़ाने के लिए उनमें मनोरंजन और रोमांच जोड़ते हैं। इनकी बैटरी लंबे समय तक चलती है और चार्जिंग की आवश्यकता कम होती है। ये प्रशंसा, पुरस्कार और समय पर अलर्ट प्रदान करते हैं। ये उपयोगकर्ताओं को इंटरफ़ेस और लक्ष्यों को अनुकूलित करने की सुविधा देते हैं। ये स्पष्ट फ़ॉन्ट और अच्छे कंट्रास्ट के साथ पठनीयता पर ध्यान केंद्रित करते हैं । ये विश्वसनीय डेटा रिकॉर्डिंग और गोपनीयता सुरक्षा के माध्यम से विश्वास का निर्माण करते हैं।
अधिक ऊर्जा खपत करने वाले कार्यों को स्थानांतरित करने से बैटरी की बचत होती है। प्रोसेसिंग और डिस्प्ले संबंधी कार्य ब्लूटूथ लो एनर्जी का उपयोग करके युग्मित स्मार्टफोन पर भेजे जाते हैं। ARM Cortex-M0 या TI MSP430 जैसे अति-कम ऊर्जा खपत करने वाले MCU डेटा को तेजी से प्रोसेस करते हैं और निष्क्रिय होने पर कम ऊर्जा खपत वाले स्लीप मोड में चले जाते हैं। STMicro के OA4NP ऑप एम्प जैसे कम ऊर्जा खपत करने वाले सेंसर सिग्नल कंडीशनिंग, जो प्रति चैनल 580nA का उपयोग करते हैं , परिधीय उपकरणों की बिजली खपत को कम करते हैं। ये विकल्प वियरेबल उपकरणों में ऊर्जा के स्मार्ट उपयोग को दर्शाते हैं।
डायनामिक वोल्टेज और फ़्रीक्वेंसी स्केलिंग की अपनी सीमाएँ हैं। वोल्टेज रेगुलेटर की दक्षता वक्र, स्विचिंग ओवरहेड लागत और न्यूनतम वोल्टेज स्तर 'डेड ज़ोन' बनाते हैं। फ़्रीक्वेंसी कम करने का मतलब हमेशा बिजली की बचत के बराबर नहीं होता। डीप स्लीप से वेक-अप होने में माइक्रोसेकंड से लेकर मिलीसेकंड तक का विलंब हो सकता है। आपको त्वरित प्रतिक्रिया और ऊर्जा बचत के बीच चुनाव करना होगा।
थर्मल मैनेजमेंट एक और सुरक्षा परत जोड़ता है। उच्च प्रदर्शन वाले कार्य से गर्मी उत्पन्न होती है जो थ्रॉटलिंग को ट्रिगर करती है। अत्यधिक गर्मी बैटरी की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तेज करती है और प्रभावी क्षमता को कम करती है। लिथियम-आयन बैटरियों में नॉन-लीनियर डिस्चार्ज कर्व होते हैं। पीक करंट लिमिट उच्च प्रदर्शन के दौरान वोल्टेज ड्रॉप का कारण बन सकती हैं। आपके पावर बजट में इन तथ्यों को ध्यान में रखते हुए योजना बनानी चाहिए।
कम बिजली खपत को अनुकूलित करने के लिए समग्र दृष्टिकोण आवश्यक है। आप उपयोगकर्ता की ज़रूरतों और ऊर्जा सीमाओं के बीच संतुलन बनाते हैं। आप ऐसे पुर्जे चुनते हैं जो आपके उपयोग के अनुरूप हों। आप संदर्भ-जागरूक विधियों का उपयोग करते हैं जो वास्तविक व्यवहार के अनुसार अनुकूलित होती हैं। यह दृष्टिकोण एक ऐसा पहनने योग्य उपकरण प्रदान करता है जो पूरे दिन चलता है और उपयोगकर्ताओं को संतुष्ट रखता है।
कम विद्युत खपत वाले डिज़ाइन में उभरते रुझान
कम बिजली खपत को अनुकूलित करने की प्रक्रिया लगातार बेहतर हो रही है। नई तकनीकें आपको पुरानी सीमाओं से आगे ले जाती हैं। दो प्रमुख रुझान हैं: ऊर्जा संचयन और एआई-आधारित बिजली प्रबंधन।
ऊर्जा संचयन और उन्नत बैटरियां
ऊर्जा संचयन आपके परिवेश से ऊर्जा प्राप्त करता है। पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थ शरीर की गति को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। Koninklijke Philips NV लचीली पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का उपयोग कपड़ों और सहायक उपकरणों में करती है। उनके उत्पाद दैनिक गतिविधियों से 5-10 मेगावाट ऊर्जा उत्पन्न करते हैं । यह ऊर्जा सेंसर और वायरलेस संचार मॉड्यूल के लिए पर्याप्त है।
KAIST ने लचीले पीजोइलेक्ट्रिक पॉलिमर और कठोर सिरेमिक को मिलाकर एक हाइब्रिड संरचना बनाई है। बहु-परत डिजाइन पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को बढ़ाता है। उनके प्रोटोटाइप केवल एकत्रित बिजली का उपयोग करके सेंसर और छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को लगातार चलाते हैं।
फोटोवोल्टाइक सेल एक और विकल्प प्रदान करते हैं। लचीले सिलिकॉन और पेरोव्स्काइट पीवी सेल कलाईबंद या कपड़ों में फिट हो जाते हैं। ये स्मार्टवॉच और पल्स ऑक्सीमीटर जैसे उपकरणों को बिजली प्रदान करते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर स्मार्ट कपड़ों के लिए लगभग 37°C की शारीरिक गर्मी का उपयोग करते हैं । ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (TENG) पहनने योग्य पसीने के सेंसर को बिजली प्रदान करने के लिए संपर्क-पृथक्करण विधियों का उपयोग करते हैं। पीजोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (PENG) जूतों के इनसोल या घड़ी की पट्टियों में लगाए जा सकते हैं। हाइब्रिड सिस्टम अधिक स्थिर आपूर्ति के लिए कई स्रोतों को जोड़ते हैं।
पीजोइलेक्ट्रिक ऊर्जा संचयन का बाज़ार अभी नया है। हांगकांग एप्लाइड साइंस एंड टेक्नोलॉजी रिसर्च इंस्टीट्यूट, इंटेल कॉर्पोरेशन और एनालॉग डिवाइसेस जैसी कंपनियां नवाचार को बढ़ावा दे रही हैं। बायोफ्यूल सेल एक और विकल्प प्रदान करते हैं। ये पसीने से रसायन निकालते हैं। इन सेलों को लचीली इलेक्ट्रॉनिक त्वचा या कपड़ा-आधारित प्रिंट करने योग्य सेलों के रूप में बनाया जा सकता है। उन्नत सेल भी बेहतर होते जा रहे हैं। लचीले सेल और अति-पतले घटक नए आकार और लंबे समय तक चलने की क्षमता प्रदान करते हैं। ऊर्जा संचयन आपके ऊर्जा स्रोत को बढ़ाता है। यह आकार बढ़ाए बिना चलने का समय बढ़ाता है।
AI-संचालित पावर प्रबंधन
मशीन लर्निंग एल्गोरिदम अब उपयोगकर्ता के व्यवहार का अनुमान लगा सकते हैं। आपका वियरेबल डिवाइस सीखता है कि आप कब सोते हैं या व्यायाम करते हैं। यह उपयोगकर्ता के इनपुट के बिना ही सर्वोत्तम दक्षता के लिए अपने संचालन में बदलाव करता है। यह एआई-संचालित अनुकूलन बिजली की बर्बादी को कम करता है। एल्गोरिदम समय के साथ आपकी आदतों के अनुसार ढल जाते हैं। वे सीखते हैं कि सेंसर कब चेक करने हैं और कब निष्क्रिय रहना है।
एज कंप्यूटिंग प्रोसेसिंग को स्थानीय स्तर पर ही रखती है। 2025 तक, उत्पाद स्वास्थ्य ट्रैकिंग से आगे बढ़कर प्रमुख आईओटी तत्व बन जाएंगे। वे स्मार्ट होम सिस्टम, एआर प्लेटफॉर्म और वाहनों से जुड़ेंगे। एआई/एमएल तकनीकें पहचान, वर्गीकरण और भविष्यवाणी कार्यों के लिए सीधे हार्डवेयर पर चलती हैं। यह सब बिना अधिक बिजली खपत या डेटा-स्थानांतरण लागत के संभव होता है। आपका उपकरण इन कार्यों को एज पर ही संभालता है। यह हर निर्णय के लिए क्लाउड सर्वर पर निर्भर नहीं करता।
इस विधि से क्लाउड पर डेटा भेजने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। आपका डिवाइस वायरलेस ट्रांसमिशन पर संसाधनों की बचत करता है। परिणामस्वरूप, बेहतर पावर मैनेजमेंट के साथ बैटरी लाइफ लंबी होती है। ये रुझान एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करते हैं जहां उत्पाद बड़े पावर पैक पर कम निर्भर होंगे। आपका काम इन तकनीकों को सावधानीपूर्वक संयोजित करना है।
कम बिजली खपत का अनुकूलन प्रदर्शन से समझौता करने के बारे में नहीं है। यह आपके डिज़ाइन में समझदारीपूर्ण और संदर्भ-आधारित निर्णय लेने के बारे में है। आपके टूलकिट में हार्डवेयर, सॉफ़्टवेयर और संचार रणनीतियाँ शामिल हैं। आपको हमेशा सेंसर से लेकर क्लाउड तक पूरे सिस्टम पर विचार करना चाहिए। प्रत्येक घटक का चयन आपकी बैटरी लाइफ को प्रभावित करता है। प्रत्येक फ़र्मवेयर निर्णय आपकी समग्र दक्षता पर प्रभाव डालता है। अपनी विकास प्रक्रिया के लिए एक समग्र दृष्टिकोण अपनाएँ। ऊर्जा संचयन और अनुकूली एल्गोरिदम जैसे उभरते रुझान और भी अधिक बिजली की बचत का वादा करते हैं। ये उपकरण बिना किसी समझौते के बहुत लंबे समय तक चल सकते हैं। सीखते रहें और नए विचारों के साथ प्रयोग करते रहें। आपका अगला वियरेबल वास्तव में प्रदर्शन और बिजली खपत के बीच प्रभावी संतुलन बना सकता है। आज ही अनुकूलन शुरू करें।
सामान्य प्रश्न
एक सामान्य पहनने योग्य उपकरण कितनी बिजली की खपत करता है?
विभिन्न घटकों में बिजली की खपत में काफी अंतर होता है। एक छोटा न्यूरल नेटवर्क प्रोसेसर केवल 746 nW बिजली का उपयोग करता है, जबकि एक पूर्ण वायरलेस ट्रांसमिशन सिस्टम 72.6 mW तक बिजली खींच सकता है। आपके द्वारा चुने गए घटक सीधे आपके बिजली बजट को प्रभावित करते हैं, इसलिए डिज़ाइन को अंतिम रूप देने से पहले प्रत्येक घटक का सावधानीपूर्वक मूल्यांकन करें।
ड्यूटी साइक्लिंग क्या है और यह क्यों महत्वपूर्ण है?
ड्यूटी साइक्लिंग सेंसरों को लगातार चलाने के बजाय उन्हें चालू और बंद करने का काम करती है। उदाहरण के लिए, एक गैस सेंसर हीटर जो लगातार 34 mA करंट खींचता है, 40% ड्यूटी साइकिल के साथ घटकर औसतन 15.65 mA रह जाता है। यह तकनीक ऊर्जा की खपत को काफी कम कर देती है, साथ ही जरूरत पड़ने पर सेंसरों को प्रतिक्रियाशील बनाए रखती है।
मुझे अपने वियरेबल के लिए कौन सा वायरलेस प्रोटोकॉल चुनना चाहिए?
ब्लूटूथ लो एनर्जी (LPWAN) अधिकांश वियरेबल डिवाइसों के लिए मानक विकल्प बना हुआ है, जो 3-5 साल की बैटरी लाइफ प्रदान करता है। LPWAN प्रोटोकॉल 10-15 साल तक चल सकते हैं, लेकिन ये ऐसे एप्लिकेशन के लिए बेहतर हैं जिन्हें एक बार इंस्टॉल करके भूल जाना होता है। इन प्रोटोकॉल में से किसी एक को चुनते समय अपनी डेटा फ्रीक्वेंसी और लेटेंसी की ज़रूरतों पर विचार करें।
मैं परफॉर्मेंस और बैटरी लाइफ के बीच संतुलन कैसे बनाऊं?
संदर्भ-आधारित संवेदन से शुरुआत करें। आराम के दौरान हृदय गति की जाँच कम करें, व्यायाम के दौरान इसे बढ़ाएँ। सरल कार्यों के लिए कम ऊर्जा खपत करने वाले नियंत्रक का उपयोग करें और जटिल विश्लेषण के लिए ही मुख्य प्रोसेसर को सक्रिय करें। यह दृष्टिकोण शांत समय के दौरान ऊर्जा बचाता है, साथ ही उपयोगकर्ताओं की आवश्यकता होने पर पूर्ण कार्यक्षमता बनाए रखता है।
