IoT uchun TinyLiDAR: 3 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:28

Atrofga nazar tashlasangiz, kundalik hayotda juda ko'p aqlli kichik qurilmalar ishlatilayotganini ko'rasiz. Ular odatda batareyadan ishlaydi va odatda qandaydir tarzda Internetga ("bulut" nomi bilan) ulanadi. Bularning barchasi biz "IoT" deb ataydigan qurilmalar va ular tezda dunyoda keng tarqalgan joyga aylanmoqda.

IoT tizim muhandislari uchun ko'p energiya sarfini optimallashtirishga sarflanadi. Buning sababi, albatta, batareyalar quvvati cheklanganligidadir. Uzoq hududlarda batareyalarni ko'p miqdorda almashtirish juda qimmat taklif bo'lishi mumkin.

Shunday qilib, bu ko'rsatma tinyLiDAR -da quvvatni optimallashtirish haqida.

TL; DR xulosasi

IoT qurilmalarida batareyaning ishlash muddatini ko'paytirish uchun bizda yangi "Real vaqt" o'lchash rejimi (1.4.0 dasturiy ta'minoti) mavjud.

Batareyalardan ko'proq sharbat siqish

Intuitiv ravishda, biz faqat IoT qurilmalarining quvvat sarfini kamaytirish orqali ish vaqtini ko'paytirishimiz mumkin. OK, bu aniq! Lekin buni qanday qilib samarali bajarish va kutilgan ish vaqtini to'g'ri hisoblash mumkin? Keling, bilib olaylik…

1 -qadam: toza energiya

Buning ko'p usullari bor, lekin biz uni asosiy narsalarga ajratishni va hamma narsani energiyaga aylantirishni afzal ko'ramiz. Elektr energiyasi Joul (J belgisi) bilan belgilanadi va ta'rifi bo'yicha:

Joule - bu bir amperlik elektr toki bir ohm qarshilikdan bir soniya o'tganda issiqlik sifatida ajralib chiqadigan energiya.

Energiya (E) ham kuchlanish (V) x zaryad (Q) bo'lgani uchun bizda:

E = V x Q

Q - joriy (I) x vaqt (T):

Q = I x T

Shunday qilib, Jouldagi energiya quyidagicha ifodalanishi mumkin.

E = V x I x T

bu erda V - kuchlanish, men - Amperdagi oqim, T - soniyalarda vaqt.

Faraz qilaylik, bizda ketma -ket ulangan to'rtta AA gidroksidi (LR6) batareyadan iborat batareya to'plami bor. Bu bizga umumiy boshlang'ich kuchlanishni 4*1,5v = 6v beradi. Ishqoriy AA batareyasining ishlash muddati taxminan 1.0V ni tashkil qiladi, shuning uchun o'rtacha kuchlanish taxminan 1.25v bo'ladi. MFR ma'lumotlar jadvaliga ko'ra, "Yetkazib berish hajmi yuklangan yuk, ish harorati va uzilish kuchlanishiga bog'liq." Shunday qilib, biz IoT qurilmasi kabi past drenajli dastur uchun taxminan 2000mAhr yoki undan ham yaxshiroq deb taxmin qilishimiz mumkin.

Shunday qilib, biz hisoblashimiz mumkinki, bizda 4 ta xujayralar x 1.25V x 2000mAhr * 3600 sek = 36000 J energiya mavjud, bu batareyani almashtirishdan oldin.

Oddiy hisob -kitoblar uchun, biz tizimni boshqaruvchi uchun konvertatsiya samaradorligini 100% deb hisoblashimiz mumkin va xost -kontrollerning quvvat sarfini hisobga olmaymiz.

Velosiped haqida so'z

Yo'q, siz minadigan tur emas! "Power Cycling" va "Sleep Cycling" deb nomlanuvchi bir nechta texnik tushunchalar mavjud. Ikkalasi ham quvvat sarfini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin, lekin ular o'rtasida farq bor. Birinchisi, qurilmangizni kerak bo'lguncha o'chirib qo'yishni, so'ngra uni o'lchash uchun qisqa vaqtga yoqishni va boshqalarni o'z ichiga oladi. Garchi bu usul nol o'chirish oqimi tufayli ishlatishni xohlasa -da, uning kamchiliklari bor. zaxiralash va energiyani yoqish uchun ahamiyatsiz vaqt.

Ikkinchi kontseptsiya, u tezroq uyg'onadi degan umid bilan uyqu rejimida ushlab turishni o'z ichiga oladi, lekin siz uxlab yotganingizda cheklangan miqdordagi tokni yoqib yuborasiz. Xo'sh, qaysi birini ishlatish yaxshiroq?

Bu qanchalik tez -tez uyg'onishingiz kerakligiga bog'liq.

2 -qadam: Raqamlarni ishga tushiring

Biz quyida keltirilgan har bir stsenariy uchun 1 soniyagacha normallashtirilgan umumiy energiyani (E) topmoqchimiz.

A holat: Tc = 1 sek; har soniyada masofani o'lchashni oling V holati: Tc = 60 sek; har daqiqada masofani o'lchash. C holati: Tc = 3600 sek; har soatda masofani o'lchash.

Buning uchun aytishimiz mumkinki, Tc - bu bizning o'lchovlarimiz uchun tsikl vaqti, faol vaqtni o'chirish va faol bo'lmagan vaqtni to'ldirish va energiya formulalarini bu erda ko'rsatilgandek o'zgartirish:

TinyLiDAR uchun ishga tushirish vaqti taxminan 300ms yoki undan kamroqni tashkil qiladi va shu vaqt ichida regulyatsiya qilingan 2,8V quvvat manbasidan ishlayotganda o'rtacha 12,25mA oladi. Shunday qilib, har bir ishga tushirish uchun taxminan 10,3 mJ energiya sarflanadi.

TinyLiDAR uchun uyqu/sokin oqim-bu juda past 3uA. Bu ishqoriy batareyalar to'plamining oyiga 0,3% o'z-o'zidan tushirish tezligidan ancha past, shuning uchun biz bu erda faqat "uyqu velosipedi" usuli yordamida tekshiramiz.

Nega mikrofondan voz kechib, to'g'ridan -to'g'ri VL53 sensoriga bormang?

Bunga javob unchalik aniq emas. Smartfon ishlab chiqilishining dastlabki kunlarida biz mp3 -ni ijro etish uchun yuqori tezlikda ishlaydigan protsessorni ushlab turish batareyaning ishlash muddatini qisqartirishning ishonchli usuli ekanligini bilib oldik. Hatto o'sha paytlarda biz musiqani ijro etish kabi periferiya vazifalari uchun kam quvvatli "dastur protsessorlari" dan foydalanish uchun barcha imkoniyatlarni ishga solganmiz. Bu bugungi kunda unchalik farq qilmaydi va aslida siz bundan ham muhimroq deb ayta olasiz, chunki biz ushbu IoT qurilmalarini har bir batareya quvvati kamaygan holda kichraytiramiz. Shunday qilib, VL53 sensorini boshqarish va ma'lumotlarni qayta ishlashga tayyor bo'lish vazifasi uchun juda kam quvvatli dastur protsessoridan foydalanish har qanday akkumulyator bilan ishlaydigan dastur uchun aniq imkoniyatdir.

tinyLiDAR o'lchash usullari

Bu hozirda foydalanuvchi qo'llanmasida aniq bo'lmasligi mumkin [lekin bir paytlar shunday bo'ladi, chunki biz har doim o'z yo'riqnomamizni yangilab turamiz:)] - aslida tinyLiDARda 3 xil o'lchash rejimi mavjud.

MC rejimi

TinyLiDAR paydo bo'lganidan boshlab, biz VL53 ToF sensoridan tezroq o'lchovlarni olishga urinib qoldik. Shunday qilib, biz dasturiy ta'minotni optimallashtirdik va undan eng tezkor va izchil oqim ma'lumotlarini oldik. Bu tamponlashni joriy qilishni o'z ichiga oladi. Biroz tamponlash - bu yaxshi narsa, chunki u uy boshqaruvchisiga (ya'ni Arduino) o'lchov ma'lumotlarini bir zumda olish va muhim narsalarga o'tish imkonini beradi. Shuning uchun buferlash juda zarur va shuning uchun biz hatto nisbatan sekin Arduino UNO da 900 Gts dan yuqori oqim tezligiga erisha olamiz. Shunday qilib, eng tezkor javob vaqti tinyLiDAR MC yoki "uzluksiz" rejimidan foydalanish bo'ladi.

BTW, agar sizda imkoniyat bo'lsa, tinyLiDAR -dagi TTY chiqish piniga ketma -ket kabelni ulashingiz kerak va siz ushbu MC rejimi nima qilishini ko'rasiz. U tom ma'noda iloji boricha tezroq o'lchovni oladi va shu bilan I2C buferini mutlaq so'nggi ma'lumotlar bilan to'ldiradi. Afsuski, u to'liq tezlikda ishlayotgani uchun, u ham maksimal quvvatni yoqib yuboradi. Ushbu MC rejimining joriy va vaqt grafigi uchun quyida qarang.

SS rejimi

Keyingi rejim - biz "bir qadamli" rejim uchun "SS" deb ataymiz. Bu, asosan, bir xil yuqori ishlash rejimida, lekin uning o'rniga bitta qadamli pastadirda. Shunday qilib, siz tinyLiDAR -dan tezkor javob olishingiz mumkin, lekin ma'lumotlar oldingi namunada bo'ladi, shuning uchun siz oxirgi ma'lumotlarni olish uchun ikkita o'lchovni bajarishingiz kerak bo'ladi. Ushbu SS rejimining joriy va vaqt grafigini ko'rish uchun pastga qarang.

Yuqoridagi ikkala rejim ham foydalanuvchilarning ko'pchiligiga juda mos keladi, chunki ulardan foydalanish tez va oson - "D" buyrug'ini berish va natijalarni o'qish kifoya. Biroq…

Har bir milli-joule hisoblanadigan IoT olamiga qarab, bizda yangi paradigma paydo bo'ldi.

Va bu biz tinyLiDAR -da kodlangan narsaga mutlaqo ziddir! IoT dunyosi uchun bizga quvvatni tejash va ish vaqtini uzaytirish uchun kamdan -kam uchraydigan o'lchovlar kerak.

RT rejimi

Yaxshiyamki, biz hozirda ushbu stsenariyni hal qilish uchun dasturiy ta'minot 1.4.0 versiyasi bor deb ayta olamiz. U "real vaqtda" o'lchovlar uchun "RT" rejimi deb ataladi. Va u asosan tetik, kutish va o'qish usulini qo'llaydi. Uni ishlatish uchun siz o'lchovni boshlash uchun "D" buyrug'ini berishingiz mumkin, lekin bu RT rejimida o'lchash tugashini va natijalarni o'qish uchun kerakli vaqtni kutish kerak. tinyLiDAR avtomatik ravishda namunalar orasidagi pastki 3uA eng past tinch holatiga o'tadi. Haqiqatan ham, uni ishlatish juda oddiy va energiya tejamkor, chunki siz eng so'nggi ma'lumotlarni, ya'ni nol tamponni olish uchun ikkita o'rniga bitta o'lchovni olishingiz kerak.

Bu yangi RT rejimining joriy va vaqt grafigi uchun quyida qarang.

3 -qadam: Haqiqiy o'lchovlar

Kamdan -kam IoT o'lchovlari uchun MC uzluksiz rejimidan foydalanishning ma'nosi yo'q, chunki bizga faqat bitta o'lchov kerak. Shunday qilib, biz uning o'rniga SS va RT rejimlariga e'tibor qaratishimiz mumkin. TinyLiDAR -ni +2,8v tartibga solingan quvvat manbai bilan ishlashi bizni eng kam quvvat sarfini ta'minlaydi. Shunday qilib, yuqori aniqlikdagi (200ms) oldindan sozlashda biz tinyLiDAR -da quyidagi energiya sarfini o'lchadik:

SS/bir bosqichli rejim: o'rtacha 2 o'lchovda 31,2 mJ

RT/real vaqtda rejim: 15,5 mJ o'rtacha 1 o'lchov

Yuqoridagi qiymatlarni bizning energiya formulamizga qo'shib, bir soniyagacha normallashtirsak, biz batareyalar to'plamimizdagi energiya 36000 J ni tashkil qiladi deb taxmin qilishimiz mumkin.

A holat: har soniyada o'qish (oxirgi ma'lumotni olish uchun 2 o'qishni oling) Tc = 1sekTon = 210ms o'qish x 2 o'qish Toff = Tc - Ton = 580msIon (o'rtacha) = 26,5mA o'qish uchun Ioff (o'rtacha) = 3uA sokin oqim Vcc = 2,8V besleme zo'riqishida Joullarda yuk bilan iste'mol qilinadigan faol energiya Eon = Vcc x Ion x Ton = 2,8V x 26,5mA * 420ms = 31,164mJ Joullarda yuk tomonidan iste'mol qilinadigan faol bo'lmagan energiya Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2,8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ yoki sekundiga 31.2mJ ga normallashtirish Ish vaqti sekundlarda, shuning uchun iste'mol qilinadigan manba/energiyaning umumiy energiyasi 36000J / 31.2mJ = 1155000 soniya = 320 soat = 13.3 kun

Ushbu hisob -kitoblarni takrorlab, biz boshqa stsenariylarning ish vaqtini topamiz:

SS rejimi

A holati: soniyada 2 o'qish. Normallashtirilgan energiya 31,2 mJ ni tashkil qiladi. Shuning uchun ishlash muddati 13,3 kun.

Vaziyat: daqiqada 2 o'qish. Normallashtirilgan energiya 528uJ. Shuning uchun ishlash muddati 2,1 yil.

Vaziyat: soatiga 2 marta o'qish. Normallashtirilgan energiya 17uJ. Ish vaqti >> 10 yil deb hisoblanadi, shuning uchun tinyLiDAR tufayli yuklanish ahamiyatsiz. Batareya to'plami faqat yaroqlilik muddati bilan cheklanadi (taxminan 5 yil)

RT rejimi

A holati: 1 soniyada o'qish. Normallashtirilgan energiya 15,5 mJ ni tashkil qiladi. Shuning uchun ishlash muddati 26,8 kun.

V holat: 1 daqiqada o'qish. Normallashtirilgan energiya 267uJ. Shuning uchun ishlash muddati 4,3 yil.

C holati: 1 soatiga o'qish. Normallashtirilgan energiya - 12,7 uJ. Ish vaqti >> 10 yil deb hisoblanadi, shuning uchun tinyLiDAR tufayli yuklanish ahamiyatsiz. Batareya to'plami faqat yaroqlilik muddati bilan cheklanadi (taxminan 5 yil)

Shunday qilib, uyqu velosipedidan foydalangan holda real vaqt rejimining yangi usuli, agar B holatida ko'rsatilganidek, har bir daqiqada bitta o'lchov o'tkazilsa, ish vaqtini 4 yilga uzaytiradi.

E'tibor bering, xost -kontrollerning energiya iste'moli bu tahlil uchun hisobga olinmagan va batareyalar to'plami konservativ tomonda bo'lgan. Siz o'zingizning ehtiyojlaringizga mos keladigan ancha kuchli batareyalarni topishingiz mumkin.

O'qiganingiz uchun tashakkur va bizni kuzatib turing, chunki biz keyingi ko'rsatmamiz uchun tinyLiDAR yordamida ishlaydigan IoT misolini taqdim etamiz. Salom!