TinyLiDAR IoT: lle: 3 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Jos katsot ympärillesi, huomaat, että jokapäiväisessä elämässä käytetään paljon pieniä älykkäitä laitteita. Ne ovat tyypillisesti paristokäyttöisiä ja yleensä yhteydessä Internetiin (eli "pilveen"). Näitä kaikkia kutsumme IoT -laitteiksi, ja niistä on tulossa nopeasti yleinen paikka maailmassa.

IoT -järjestelmäinsinööreille suunnittelee paljon työtä energiankulutuksen optimoimiseksi. Syynä tähän on tietysti akkujen rajallinen kapasiteetti. Paristojen vaihtaminen suuria määriä syrjäseuduilla voi olla erittäin kallis ehdotus.

Tämä ohje on siis tehon optimointi tinyLiDARissa.

TL; DR -yhteenveto

Meillä on uusi "reaaliaikainen" mittaustila (laiteohjelmistosta 1.4.0 alkaen), joka auttaa maksimoimaan akun käyttöajan IoT -laitteissa.

Purista lisää mehua paristoista

Intuitiivisesti voimme pidentää käyttöaikaa yksinkertaisesti vähentämällä IoT -laitteiden virrankulutusta. Okei, se on selvää! Mutta miten voit tehdä tämän tehokkaasti ja laskea odotetun käyttöajan oikein? Otetaan selvää…

Vaihe 1: Puhdasta energiaa

Tähän on monia tapoja, mutta mieluummin hajotamme sen perusasioihin ja muutamme kaiken energiaksi. Sähköenergia mitataan jouleina (symboli J) ja määritelmän mukaan:

Joule on energiaa, joka haihtuu lämmönä, kun yhden ampeerin sähkövirta kulkee yhden ohmin vastuksen läpi yhden sekunnin ajan.

Koska energia (E) on myös jännite (V) x varaus (Q), meillä on:

E = V x Q

Q on nykyinen (I) x aika (T):

Q = I x T

Joten energiaa jouleissa voidaan ilmaista seuraavasti:

E = V x I x T

missä V on jännite, I on virta ampeereina ja T on aika sekunteina.

Oletetaan, että meillä on akku, joka koostuu neljästä AA -alkaliparistosta (LR6), jotka on kytketty sarjaan. Tämä antaa meille kokonaisjännitteen 4*1,5v = 6v. AA -alkalipariston käyttöiän loppu on noin 1,0 V, joten keskimääräinen jännite olisi noin 1,25 V. Valmistajan tiedotteen mukaan "Toimitettu kapasiteetti riippuu kuormituksesta, käyttölämpötilasta ja katkaisujännitteestä." Voimme siis olettaa noin 2000 mAh: n tai paremman vähäisen kulutuksen sovelluksille, kuten IoT -laitteille.

Siksi voimme laskea, että meillä on 4 kennoa x 1,25 V kennoa kohti x 2000 mAh * 3600 sekuntia = 36000 J energiaa, joka on saatavilla tästä akusta ennen kuin se on vaihdettava.

Yksinkertaisempien laskelmien vuoksi voimme myös olettaa, että muuntotehokkuus on 100% järjestelmäsäätimellemme, ja jättää huomiotta isäntäohjaimen virrankulutus.

Sana pyöräilystä

Ei, ei tyyppi, jolla ratsastat! On olemassa pari teknistä käsitettä, jotka tunnetaan nimellä "Power Cycling" ja "Sleep Cycling". Molempia voidaan käyttää virrankulutuksen pienentämiseen, mutta näiden kahden välillä on ero. Ensimmäinen koskee laitteen sammuttamista, kunnes sitä tarvitaan, ja sen käynnistämistä vain lyhyeksi ajaksi mittauksen suorittamiseksi jne. Vaikka tämä menetelmä on houkutteleva käyttää sen nollausvirran vuoksi, on haittapuoli, jossa se kestää jonkin aikaa ei vähäpätöinen aika käynnistää varmuuskopiointi ja polttaa energiaa samalla.

Toinen käsite sisältää vain laitteen pitämisen lepotilassa toivoen, että se herää nopeammin, mutta poltat jonkin rajallisen määrän virtaa sen nukkuessa. Joten mikä on paras käyttää?

Se riippuu siitä, kuinka usein sinun täytyy herätä.

Vaihe 2: Aja numerot

Haluamme löytää kokonaisenergian (E), joka on normalisoitu 1 sekunniksi kullekin alla luetellulle tilanteelle.

Tapaus A: Tc = 1 s; ota etäisyysmittaus joka sekunti Tapaus B: Tc = 60 s; mittaa etäisyys joka minuutti. Tapaus C: Tc = 3600 s; mittaa etäisyys tunnin välein.

Tätä varten voimme sanoa, että Tc on mittaustemme sykliaika, ton aktiivinen aika ja sammuttaa passiivinen aika ja järjestää energiakaavat uudelleen tässä esitetyllä tavalla:

TinyLiDAR: n käynnistymisaika on noin 300 ms tai vähemmän, ja tänä aikana se kestää keskimäärin 12,25 mA, kun se toimii säädellyllä 2,8 voltin jännitteellä. Siksi se kuluttaa noin 10,3 mJ energiaa jokaista käynnistystä kohden.

TinyLiDAR: n lepotila-/lepovirta on erittäin matala 3uA. Tämä on paljon pienempi kuin alkalipariston 0,3%: n kuukausittainen itsepurkautumisnopeus, joten tutkimme tässä vain "unisykli" -menetelmää.

Miksei luopuisi mikroista ja siirry suoraan VL53 -anturiin?

Vastaus tähän ei ole aivan niin ilmeinen. Älypuhelimien kehittämisen alkuvaiheissa opimme, että nopean prosessorin pitäminen hengissä toistamaan mp3 -tiedostoja oli varma tapa vähentää akun käyttöikää. Silloinkin teimme kaikkemme käyttääksemme pienitehoisia "sovellusprosessoreita" reuna -asioissa, kuten musiikin toistamisessa. Se ei ole paljon erilaista nykyään, ja itse asiassa voit sanoa, että se on vielä tärkeämpää, kun pienennämme kaikkia näitä IoT -laitteita akun kapasiteetin pienentyessä. Joten erittäin pienitehoisen sovellusprosessorin käyttäminen yksinomaan VL53-anturin ohjaamiseen ja tietojen valmisteluun jatkokäsittelyä varten on ehdoton etu kaikille akkukäyttöisille sovelluksille.

tinyLiDAR -mittausmoodit

Se ei ehkä ole selvää käyttöoppaassa tällä hetkellä [mutta se tulee jossain vaiheessa, kun päivitämme aina käyttöohjettamme:)] - tinyLiDARissa on itse asiassa 3 eri mittaustilaa.

MC -tila

TinyLiDARin alusta lähtien olimme pakkomielle yrittäessämme saada nopeampia mittauksia VL53 ToF -anturista. Joten optimoimme laiteohjelmistomme saadaksemme siitä nopeimman ja johdonmukaisimman suoratoistodatan. Tämä sisälsi puskuroinnin käyttöönoton. Pieni puskurointi on hyvä asia, koska sen avulla isäntäohjain (eli Arduino) voi saada mittaustietonsa salamannopeasti ja siirtyä tärkeämpiin asioihin. Siksi puskurointi on ehdottoman välttämätöntä, ja siksi voimme saavuttaa yli 900 Hz: n suoratoistonopeuden jopa suhteellisen hitaalla Arduino UNO: lla. Näin ollen nopein vasteaika on tinyLiDARin MC- tai "jatkuva" -tilassa.

BTW, jos sinulla on mahdollisuus, kytke sarjakaapeli tinyLiDARin TTY -ulostulonappiin ja näet, mitä tämä MC -tila tekee. Se mittaa kirjaimellisesti niin nopeasti kuin mahdollista, ja näin tehdessään se täyttää I2C -puskurinsa uusimmilla tiedoilla. Valitettavasti, koska se toimii täydellä nopeudella, se myös polttaa suurimman tehomäärän. Katso tämän MC -tilan nykyinen vs. aikakaavio alla.

SS -tila

Seuraava tila on se, mitä me kutsumme "SS" "yksivaiheiseksi" tilaksi. Tämä on pohjimmiltaan sama korkean suorituskyvyn tila edellä, mutta sen sijaan yksi askel. Joten voit saada nopeita vastauksia tinyLiDARilta, mutta tiedot ovat edellisestä näytteestä, joten sinun on tehtävä kaksi mittausta saadaksesi uusimmat tiedot. Katso tämän SS -tilan nykyinen vs. aikakaavio alla.

Molemmat yllä olevat tilat ovat sopineet laskulle hyvin useimmille käyttäjille, koska ne olivat nopeita ja helppokäyttöisiä - anna vain "D" -komento ja lue tulokset. Kuitenkin …

Edessämme IoT-maailmaan, jossa jokainen milli-Joule on tärkeä, meillä on uusi paradigma.

Ja se on täysin päinvastainen kuin mitä olemme koodanneet tinyLiDARiin! IoT -maailmassa tarvitsemme yksittäisiä mittauksia harvoin välein virran säästämiseksi ja käyttöajan pidentämiseksi.

RT -tila

Onneksi voimme nyt sanoa, että meillä on ratkaisu tähän skenaarioon firmware 1.4.0: sta. Sitä kutsutaan "RT" -tilaksi "reaaliaikaisille" mittauksille. Ja se periaatteessa toteuttaa laukaisu-, odotus- ja lukumenetelmän. Voit käyttää sitä vain antamalla "D" -komennon mittauksen aloittamiseksi, mutta tässä RT -tilassa sinun on odotettava sopiva aika mittauksen päättymiseen ja luettava sitten tulokset. tinyLiDAR siirtyy automaattisesti alimpaan lepotilaansa sub 3uA näytteiden väliin. Se on itse asiassa edelleen helppokäyttöinen ja vielä energiatehokkaampi, koska sinun on tehtävä vain yksi mittaus kahden sijasta, jotta saat uusimmat tiedot, eli puskuroinnin nolla.

Katso tämän uuden RT -tilan nykyinen vs. aikakaavio alla.

Vaihe 3: Todelliset mittaukset

MC -jatkuvan tilan käyttäminen harvoille IoT -mittauksille ei ole järkevää, koska tarvitsemme vain yksittäisiä mittauksia. Siksi voimme keskittyä sen sijaan SS- ja RT -tiloihin. PienenLiDAR -laitteen käyttäminen säädellystä +2,8 V: n jännitteestä saa aikaan pienimmän virranhajonnan. Joten käyttämällä korkean tarkkuuden (200 ms) esiasetuksia, mitasimme seuraavan energiankulutuksen tinyLiDARilla:

SS/yksivaiheinen tila: 31,2 mJ keskimäärin kahdessa mittauksessa

RT/reaaliaikainen tila: 15,5 mJ keskimäärin yhden mittauksen aikana

Liittämällä nämä yllä olevat arvot energiakaavaamme ja normalisoimalla sekuntiin, voimme löytää käyttöaika -odotukset olettaen, että akkuenergiamme on 36000 J.

Tapaus A: lukeminen joka sekunti (ota kaksi lukemaa saadaksesi uusimmat tiedot) Tc = 1 sekunti = 210 ms / lukema x 2 lukemaa 2,8 V syöttöjännite Kuorman kuluttama aktiivinen energia jouleina on Eon = Vcc x Ion x Ton = 2,8 V x 26,5 mA * 420 ms = 31,164 mJ Kuormituksen kuluttava passiivinen energia jouleissa on Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2,8 V x 3uA x 580 ms = 4.872uJ Normalisointi arvoon TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ tai 31.2mJ sekunnissa Käyttöaika sekunneissa on siis lähteen/kulutetun energian kokonaisenergia, joka on 36000J / 31,2 mJ = 1155000 sekuntia = 320 tuntia = 13,3 päivää

Toistamalla nämä laskelmat löydämme muiden skenaarioiden suoritusajat:

SS -tila

Tapaus A: 2 lukemaa sekunnissa. Normalisoitu energia on 31,2 mJ. Siksi käyttöaika on 13,3 päivää.

Tapaus B: 2 lukemaa minuutissa. Normalisoitu energia on 528uJ. Siksi käyttöaika on 2,1 vuotta.

Tapaus C: 2 lukemaa tunnissa. Normalisoitu energia on 17uJ. Käyttöaika lasketaan >> 10 vuoteen, joten lataaminen tinyLiDAR: n vuoksi on vähäistä. Akkua rajoittaa siksi vain sen kestoaika (eli noin 5 vuotta)

RT -tila

Tapaus A: 1 lukema sekunnissa. Normalisoitu energia on 15,5 mJ. Siksi käyttöaika on 26,8 päivää.

Tapaus B: 1 lukema minuutissa. Normalisoitu energia on 267uJ. Siksi käyttöaika on 4,3 vuotta.

Tapaus C: 1 lukema tunnissa. Normalisoitu energia on 12,7 uJ. Käyttöaika lasketaan >> 10 vuoteen, joten lataaminen tinyLiDAR: n vuoksi on vähäistä. Akkua rajoittaa siksi vain sen kestoaika (eli noin 5 vuotta)

Uudesta reaaliaikaisesta tilasta, jossa käytetään unisykliä, on siis hyötyä pidentää käyttöaikaa viimeisten 4 vuoden ajalta, jos yksi mittaus suoritetaan joka minuutti tapauksen B mukaisesti.

Huomaa, että isäntäohjaimen energiankulutusta ei otettu huomioon tässä analyysissä ja akkujen tiedot olivat konservatiivisella puolella. Löydät halutessasi paljon tehokkaampia akkuja tarpeidesi mukaan.

Kiitos, että luit ja pysy kuulolla, sillä tarjoamme toimivan IoT -esimerkin, joka käyttää tinyLiDARia seuraavaan ohjeeseen. Kippis!