IoT үшін TinyLiDAR: 3 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:26

Егер сіз айналаңызға қарасаңыз, онда күнделікті өмірде көптеген ақылды құрылғылар қолданылып жатқанын байқайсыз. Олар әдетте батареямен жұмыс істейді және әдетте қандай да бір түрде Интернетке («бұлт» деп аталады) қосылады. Мұның бәрі біз «IoT» деп атайтын құрылғылар және олар қазір әлемде тез үйреншікті орынға айналуда.

IoT жүйелік инженерлері үшін энергияны тұтынуды оңтайландыруға көп дизайн күші жұмсалады. Мұның себебі, әрине, аккумуляторлардың шектеулі сыйымдылығына байланысты. Батареяларды алыс аудандарда көп мөлшерде ауыстыру өте қымбат ұсыныс болуы мүмкін.

Бұл нұсқаулық tinyLiDAR -да қуатты оңтайландыруға арналған.

TL; DR қорытындысы

Бізде IoT құрылғыларында батареяның жұмыс уақытын ұлғайтуға көмектесетін жаңа «Нақты уақыт» өлшеу режимі (1.4.0 микробағдарламасы бойынша) бар.

Батареядан көбірек шырын сығу

Интуитивті түрде, IoT құрылғыларының энергия шығынын азайту арқылы жұмыс уақытын көбейтуге болады. Жарайды, бұл анық! Бірақ мұны қалай тиімді және күтілетін жұмыс уақытын дұрыс есептеуге болады? Білейік…

1 -қадам: Таза энергия

Мұны істеудің көптеген жолдары бар, бірақ біз оны негізгіге бөліп, бәрін энергияға айналдыруды жөн көреміз. Электр энергиясы Джоульмен өлшенеді (J белгісі) және анықтамасы бойынша:

Джоуль - бұл бір ампердің электр тогы бір ом кедергісінен бір секунд уақыт өткенде жылу түрінде бөлінетін энергия.

Энергия (E) кернеу (V) x заряд (Q) болғандықтан, бізде:

E = V x Q

Q - ағымдағы (I) x уақыт (T):

Q = I x T

Сонымен, Джоульдегі энергияны келесі түрде көрсетуге болады:

E = V x I x T

мұндағы V - кернеу, мен - ампердегі ток, ал T - секундтағы уақыт.

Келіңіздер, бізде сериясы қосылған төрт АА сілтілі (LR6) батареядан тұратын батареялар жиынтығы бар делік. Бұл бізге 4*1.5v = 6v жалпы іске қосу кернеуін береді. Сілтілі АА батареясының қызмет ету мерзімі шамамен 1,0 в құрайды, сондықтан орташа кернеу шамамен 1,25 в болады. MFR мәліметтер кестесіне сәйкес «Жеткізілетін сыйымдылық жүктелген жүктемеге, жұмыс температурасына және кернеуге байланысты». Сонымен, біз IoT құрылғысы сияқты төмен ағызу үшін шамамен 2000 мАч немесе одан да жақсы деп есептей аламыз.

Сондықтан біз оны ауыстыруға дейін осы ұяшықтан 4 ұяшыққа x 1.25В x 2000mAhr * 3600сек = 36000 Дж энергия алатынын есептей аламыз.

Қарапайым есептеулер үшін біз жүйелік реттеуші үшін түрлендіру тиімділігі 100% деп есептей аламыз және хост контроллерінің қуат тұтынуын елемейміз.

Велосипед туралы сөз

Жоқ, сіз мінетін түр емес! «Қуатты велосипед» және «Ұйқыдағы велосипед» деп аталатын бірнеше техникалық түсініктер бар. Екеуін де энергия тұтынуды азайту үшін қолдануға болады, бірақ олардың арасында айырмашылық бар. Біріншісі - құрылғыны қажет болғанға дейін өшіруді, содан кейін өлшеуді орындау үшін қысқа уақытқа ғана қосуды және т. жүктеу мен энергияны жағу үшін маңызды емес уақыт.

Екінші тұжырымдама - бұл құрылғыны ұйқы режимінде ұстау, ол тез оянады деген үмітте, бірақ сіз ұйықтап жатқан кезде токтың шектеулі мөлшерін жағасыз. Сонымен, қайсысын қолданған дұрыс?

Бұл қаншалықты жиі ояну керек екеніне байланысты.

2 -қадам: Сандарды іске қосыңыз

Біз төменде көрсетілген әрбір сценарий үшін 1 секундқа нормаланған жалпы энергияны (E) тапқымыз келеді.

А жағдайы: Tc = 1сек; әр секунд сайын қашықтықты өлшеп алыңыз В жағдайы: Tc = 60сек; әр минут сайын қашықтықты өлшеңіз. С жағдайы: Tc = 3600сек; әр сағат сайын қашықтықты өлшеңіз.

Мұны істеу үшін Tc - бұл біздің өлшеудің цикл уақыты, белсенді уақытты қосады және белсенді емес уақытты қосады және энергия формулаларын осында көрсетілгендей қайта реттейді деп айта аламыз:

TinyLiDAR үшін іске қосу уақыты шамамен 300 мс немесе одан аз болады және осы уақыт ішінде реттелетін 2,8 вольттан жұмыс істегенде орташа алғанда 12,25 мА қажет болады. Осылайша, ол әр іске қосылғанда шамамен 10,3 мДж энергия жұмсайды.

TinyLiDAR үшін ұйқы/тыныш ток-бұл өте төмен 3uA. Бұл сілтілік батареялар жиынтығының 0,3% айлық өздігінен ағу жылдамдығынан әлдеқайда төмен, сондықтан біз мұнда тек «ұйқының велосипед» әдісін қолданамыз.

Неліктен микростанциядан бас тартып, тікелей VL53 сенсорына бармасқа?

Бұның жауабы соншалықты айқын емес. Смартфонды дамытудың алғашқы күндерінде біз жоғары жылдамдықты процессорды mp3 күйінде тыңдау - бұл батареяның қызмет ету мерзімін қысқартудың сенімді әдісі екенін білдік. Тіпті сол кезде біз музыканы ойнау сияқты перифериялық міндеттерді орындау үшін төмен қуатты «қолданбалы процессорларды» қолдануға бар күшімізді салдық. Бұл бүгінде мүлде өзгеше емес және шын мәнінде сіз мұны одан да маңызды деп айта аласыз, өйткені біз бұл IoT құрылғыларының барлығын батареяның сыйымдылығы азайған сайын кішірейтеміз. VL53 сенсорын басқару және одан әрі өңдеуге дайын деректерді беру үшін өте төмен қуатты қосымшалар процессорын пайдалану кез келген аккумуляторлық қосымшалар үшін маңызды актив болып табылады.

tinyLiDAR өлшеу режимдері

Бұл дәл қазір қолданушы нұсқаулығында түсініксіз болуы мүмкін [бірақ бір сәтте болады, өйткені біз әрқашан пайдаланушы нұсқаулығын жаңартып отырамыз:)] - tinyLiDAR -де 3 түрлі өлшеу режимі бар.

MC режимі

TinyLiDAR пайда болғаннан бастап біз VL53 ToF сенсорынан жылдамырақ өлшеуге тырысатынбыз. Сондықтан біз ең жылдам және тұрақты ағындық деректерді алу үшін микробағдарламаны оңтайландырдық. Бұл буферлеуді енгізуді қамтыды. Кішкене буферлеу - бұл жақсы нәрсе, себебі ол хост контроллеріне (яғни Arduino) өлшеу деректерін тез арада алуға және маңызды нәрселерге көшуге мүмкіндік береді. Сондықтан буферлеу өте қажет, сондықтан біз салыстырмалы түрде баяу Arduino UNO -да 900 Гц -тен асатын жылдамдыққа қол жеткізе аламыз. Демек, ең жылдам жауап беру уақыты tinyLiDAR MC немесе «үздіксіз» режимін қолдану болады.

BTW, егер сізде мүмкіндік болса, сіз сериялық кабельді tinyLiDAR -дегі TTY шығыс түйреуішіне қосуыңыз керек және сіз бұл MC режимінің не істейтінін көресіз. Ол мүмкіндігінше жылдам өлшеуді қабылдайды және осылайша ол I2C буферін абсолютті соңғы деректермен толтырады. Өкінішке орай, ол толық жылдамдықта жұмыс істейтіндіктен, ол максималды қуатты жояды. Осы MC режимінің ағымдағы және уақыт графигін төменде қараңыз.

SS режимі

Келесі режим - біз «бір қадамдық» режим үшін «SS» деп атаймыз. Бұл жоғарыда көрсетілген жоғары өнімділік режимі, бірақ оның орнына бір қадамдық цикл. Осылайша, сіз tinyLiDAR -дан жылдам жауап ала аласыз, бірақ деректер алдыңғы үлгіден болады, сондықтан соңғы деректерді алу үшін сізге екі өлшеу қажет болады. Осы SS режимінің ағымдағы және уақыт графигін төменде қараңыз.

Жоғарыда аталған екі режим де көптеген пайдаланушылар үшін есепке жақсы сәйкес келеді, себебі олар тез және қарапайым болды - «D» пәрменін шығарып, нәтижелерін оқыңыз. Алайда…

IoT әлеміне қарай жылжу, онда әрбір милли-Джоуль есептеледі, бізде жаңа парадигма бар.

Бұл tinyLiDAR -де кодтағандарға мүлдем қарама -қайшы! IoT әлемі үшін қуатты үнемдеу және жұмыс уақытын ұзарту үшін бізге сирек кездесетін өлшемдер қажет.

RT режимі

Бақытымызға орай, бізде 1.4.0 микробағдарламасы бойынша бұл сценарийдің шешімі бар деп айта аламыз. Ол «нақты уақытта» өлшеуге арналған «RT» режимі деп аталады. Бұл негізінен триггер, күту және оқу әдісін қолданады. Оны пайдалану үшін сіз әлі де өлшеуді бастау үшін «D» пәрменін бере аласыз, бірақ бұл RT режимі үшін өлшеу аяқталғанша сәйкес уақытты күтіп, нәтижелерді оқу керек. tinyLiDAR автоматты түрде үлгілер арасындағы 3uA қосалқы ең төменгі тыныш күйіне өтеді. Қолдану әлі де қарапайым және энергияны үнемдеу, өйткені соңғы деректерді алу үшін екі емес, бір өлшемді алу қажет, яғни нөлдік буферлеу.

Бұл жаңа RT режимінің ағымдағы және уақыт графигін төменде қараңыз.

3 -қадам: Нақты өлшеулер

IOT -ды сирек өлшеу үшін MC үздіксіз режимін қолдану мағынасы жоқ, өйткені бізге тек бір өлшем қажет. Сондықтан біз оның орнына SS және RT режимдеріне назар аудара аламыз. TinyLiDAR -ді +2,8в реттелетін қоректендіру арқылы жұмыс істеу бізге ең аз энергия шығынын қамтамасыз етеді. Жоғары дәлдіктегі (200 мс) алдын ала орнатылған параметрлерді пайдалану кезінде біз tinyLiDAR -де келесі энергия шығынын өлшедік:

SS/бір сатылы режим: 31.2 мДж орташа 2 өлшеу

RT/нақты уақыт режимі: 15.5mJ орташа 1 өлшеу

Жоғарыда келтірілген мәндерді энергия формуласына енгізіп, бір секундқа қалыпқа келтіре отырып, біз батарея жинағынан шығатын энергия 36000 Дж деп есептейміз.

А жағдайы: әр секунд сайын оқу (соңғы деректерді алу үшін 2 оқуды алыңыз) Tc = 1secTon = 210ms x 2 оқу Toff = Tc - Ton = 580msIon (орташа) = 26,5mA бір оқуға Ioff (орташа) = 3uA тыныш ток Vcc = 2.8В кернеу Джоульдегі жүктеме кезінде тұтынылатын активті энергия - бұл Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ x 580ms = 4.872uJ TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ немесе 31.2mJ секундына нормалау Орындалу секундтарда, демек, тұтынылатын энергия көзі/энергияның жалпы энергиясы, яғни 36000J / 31.2мДж = 1155000 секунд = 320 сағат = 13.3күн

Осы есептеулерді қайталай отырып, біз басқа сценарийлердің жұмыс уақытын таба аламыз:

SS режимі

А жағдайы: секундына 2 көрсеткіш. Нормаланған энергия 31,2 мДж құрайды. Сондықтан жұмыс уақыты - 13,3 күн.

В жағдайы: минутына 2 көрсеткіш. Нормаланған энергия - 528 уДж. Сондықтан жұмыс мерзімі - 2,1 жыл.

С жағдайы: сағатына 2 көрсеткіш. Нормаланған энергия 17 уДж. Жұмыс уақыты >> 10 жылға есептеледі, сондықтан tinyLiDAR арқасында жүктеу шамалы. Батареялар тек жарамдылық мерзімімен шектеледі (шамамен 5 жыл)

RT режимі

А жағдайы: 1 секундына оқу. Нормаланған энергия - 15,5 мДж. Сондықтан жұмыс уақыты 26,8 күнді құрайды.

В жағдайы: 1 минутына оқу. Нормаланған энергия 267 уДж. Осылайша, жұмыс мерзімі - 4,3 жыл.

C жағдайы: 1 сағатына оқу. Нормаланған энергия - 12.7 уДж. Жұмыс уақыты >> 10 жылға есептеледі, сондықтан tinyLiDAR арқасында жүктеу шамалы. Батареялар тек жарамдылық мерзімімен шектеледі (шамамен 5 жыл)

Демек, ұйқының велосипедін қолданатын нақты уақыт режимінің жаңа режимі, егер В жағдайында көрсетілгендей әр минут сайын бір өлшеу алынса, жұмыс уақытын 4 жыл ішінде ұзартудың артықшылығы.

Назар аударыңыз, бұл талдау үшін хост контроллерінің энергия шығыны есепке алынбады және батареялар жиынтығы консервативті жағында болды. Сіз өзіңіздің қажеттіліктеріңізге сәйкес келетін әлдеқайда қуатты батареяларды таба аласыз.

Оқығаныңыз үшін рахмет және бізді қадағалаңыз, өйткені біз келесі нұсқаулыққа tinyLiDAR көмегімен IoT жұмысының мысалын береміз. Сәлем!