TinyLiDAR za IoT: 3 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Ako pogledate oko sebe, primijetit ćete da se mnogo pametnih malih uređaja koristi u svakodnevnom životu. Obično se napajaju iz baterija i obično su nekako povezani s internetom (poznat i kao "oblak"). To su sve ono što nazivamo 'IoT' uređajima i brzo postaju uobičajeno mjesto u današnjem svijetu.

Za IoT sistemske inženjere, mnogo dizajnerskog napora ulaže se u optimizaciju potrošnje energije. Razlog tome je naravno zbog ograničenog kapaciteta dostupnog u baterijama. Mijenjanje baterija u velikim količinama u udaljenim područjima može biti vrlo skup prijedlog.

Dakle, ovo uputstvo se odnosi na optimizaciju snage u tinyLiDAR -u.

TL; DR sažetak

Imamo novi način mjerenja "Real Time" (od firmvera 1.4.0) koji pomaže u maksimiziranju trajanja baterije na IoT uređajima.

Cijeđenje više soka iz baterija

Intuitivno, možemo povećati vrijeme rada jednostavnim smanjenjem potrošnje energije IoT uređaja. U redu, to je očigledno! Ali kako to možete učiniti učinkovito i pravilno izračunati očekivano vrijeme izvođenja? Saznajmo…

Korak 1: Čista energija

Postoji mnogo načina da to učinite, ali radije ćemo to razložiti na osnove i sve pretvoriti u energiju. Električna energija se mjeri u džulima (simbol J) i po definiciji:

Joule je energija koja se raspršuje kao toplina kada električna struja od jednog pojačala prolazi kroz otpor od jednog ohma u trajanju od jedne sekunde.

Budući da je energija (E) također napon (V) x naboj (Q), imamo:

E = V x Q

Q je struja (I) x vrijeme (T):

Q = I x T

Dakle, energija u džulima može se izraziti kao:

E = V x I x T

gdje je V napon, I je struja u amperima, a T vrijeme u sekundama.

Pretpostavimo da imamo komplet baterija sastavljen od četiri AA alkalne (LR6) baterije povezane serijski. To će nam dati ukupni početni napon od 4*1,5v = 6v. Vek trajanja za alkalnu AA bateriju je približno 1,0v, pa bi prosečni napon bio oko 1,25v. Prema Tehničkom listu mfr "Isporučeni kapacitet ovisi o primijenjenom opterećenju, radnoj temperaturi i graničnom naponu." Dakle, možemo pretpostaviti oko 2000 mAhr ili bolje za aplikaciju sa niskim protokom, poput IoT uređaja.

Stoga možemo izračunati da imamo 4 ćelije x 1,25 V po ćeliji x 2000 mAhr * 3600 sek = 36000 J energije dostupne iz ove baterije prije nego što je treba zamijeniti.

Radi jednostavnijih proračuna, također možemo pretpostaviti da je efikasnost konverzije 100% za naš sistemski regulator i zanemariti potrošnju energije glavnog kontrolera.

Riječ o biciklizmu

Ne, nije tip na kojem jašete! Postoji nekoliko tehničkih koncepata koji su poznati kao "biciklizam na snazi" i "vožnja u snu". Oboje se može koristiti za smanjenje potrošnje energije, ali postoji razlika između njih. Prva uključuje isključivanje uređaja dok ne zatreba, a zatim uključivanje samo nakratko za obavljanje mjerenja itd. Iako je ova metoda primamljiva za korištenje zbog svoje nulte struje isključenja, postoji nedostatak u kojem će trebati malo nema trivijalnog vremena za ponovno pokretanje i sagorijevanje energije pri tome.

Drugi koncept uključuje samo držanje uređaja u stanju mirovanja s nadom da će se brže probuditi, ali ćete sagorjeti određenu količinu struje dok spava. Dakle, koje je najbolje koristiti?

Zavisi koliko često se trebate buditi.

Korak 2: Pokrenite brojeve

Želimo pronaći ukupnu energiju (E) normaliziranu na 1 sekundu za svaki dolje navedeni scenarij.

Slučaj A: Tc = 1 sek; mjerite udaljenost svake sekunde Slučaj B: Tc = 60sec; mjerite udaljenost svake minute. Slučaj C: Tc = 3600sec; mjerite udaljenost svakih sat vremena.

Da bismo to učinili, možemo reći da je Tc vrijeme ciklusa za naša mjerenja, u tonu aktivnog vremena i prebacivanju neaktivnog vremena te preuredimo naše energetske formule kao što je prikazano ovdje:

Za tinyLiDAR, vrijeme pokretanja je oko 300 ms ili manje, a za to vrijeme će mu trebati prosječno 12,25 mA dok radi iz reguliranog napajanja od 2,8 V. Stoga će za svako pokretanje potrošiti približno 10,3 mJ energije.

Struja spavanja/mirovanja za tinyLiDAR je ultra niska 3uA. To je daleko niže od 0,3% mjesečne stope samopražnjenja alkalne baterije pa ćemo ovdje istražiti samo metodu "ciklusa spavanja".

Zašto ne biste odustali od mikro i otišli direktno do senzora VL53?

Odgovor na ovo pitanje nije tako očigledan. U prvim danima razvoja pametnih telefona saznali smo da je održavanje brzog procesora gladne energije za reprodukciju mp3 -a sigurna metoda za smanjenje trajanja baterije. Čak smo i tada činili sve moguće napore da koristimo "aplikacijske procesore" manje snage za periferne poslove poput sviranja muzike. Danas nije mnogo drugačije i zapravo, moglo bi se reći da je još važnije jer minijaturiziramo sve ove IoT uređaje sa svakim smanjenjem kapaciteta baterije. Stoga je korištenje aplikacijskog procesora iznimno male snage za isključivi zadatak kontrole senzora VL53 i pružanja podataka spremnih za daljnju obradu definitivno sredstvo za svaku aplikaciju na baterijsko napajanje.

tinyLiDAR načini mjerenja

Možda trenutno nije jasno u korisničkom priručniku [ali bit će u nekom trenutku jer uvijek ažuriramo naš korisnički priručnik:)] - postoje zapravo 3 različita načina mjerenja u tinyLiDAR -u.

MC način rada

Od nastanka tinyLiDAR -a, bili smo opsjednuti pokušajima da dobijemo brže mjerenje sa VL53 ToF senzora. Stoga smo optimizirali naš firmver kako bismo iz njega dobili najbrže i najdosljednije prijenosne podatke. Ovo je uključivalo uvođenje međuspremnika. Malo međuspremljenja je dobra stvar jer omogućuje host kontroleru (tj. Arduinu) da u trenu dobije svoje mjerne podatke i pređe na važnije stvari. Stoga je međuspremništvo apsolutno potrebno i zbog toga možemo postići brzine strujanja veće od 900Hz čak i na relativno sporom Arduino UNO -u. Stoga će najbrže vrijeme odziva biti u korištenju tinyLiDAR -ovog MC -a ili "kontinuiranog" načina rada.

BTW, ako vam se ikada ukaže prilika, trebali biste spojiti serijski kabel na izlazni pin TTY na tinyLiDAR -u i vidjet ćete što ovaj MC način rada radi. Doslovno je potrebno mjerenje što je brže moguće i pritom ispunjava svoj I2C međuspremnik apsolutnim najnovijim podacima. Nažalost, budući da radi punom brzinom, troši i maksimalnu količinu energije. U nastavku pogledajte grafikon trenutnog u odnosu na vrijeme za ovaj MC način rada.

SS način rada

Sljedeći način rada je ono što nazivamo "SS" za "single step" način rada. Ovo je u osnovi isti način rada visokih performansi gore, ali umjesto toga u jednoj koračnoj petlji. Tako da možete dobiti brze odgovore od tinyLiDAR -a, ali podaci će biti iz prethodnog uzorka, pa ćete morati poduzeti dva mjerenja da biste dobili najnovije podatke. U nastavku pogledajte grafikon trenutnog u odnosu na vrijeme ovog SS načina rada.

Oba gore navedena načina lijepo su se uklopila u većinu korisnika jer su bili brzi i jednostavni za upotrebu - samo izdajte naredbu "D" i pročitajte rezultate. Kako god …

Krećući se naprijed u svijet IoT-a u kojem se računa svaki milli-Joule, imamo novu paradigmu.

I upravo je suprotno od onoga što smo kodirali u tinyLiDAR! Za IoT svijet potrebna su nam pojedinačna mjerenja u rijetkim intervalima kako bi se sačuvala energija i produžilo vrijeme izvođenja.

RT način rada

Srećom, sada možemo reći da imamo rješenje za ovaj scenarij od firmvera 1.4.0. Zove se "RT" način rada za mjerenje u "stvarnom vremenu". U osnovi implementira metodu okidača, čekanja i čitanja. Da biste ga koristili, još uvijek možete samo izdati naredbu "D" za početak mjerenja, ali za ovaj RT način rada morate pričekati odgovarajuću količinu vremena da se mjerenje završi, a zatim pročitati rezultate. tinyLiDAR automatski prelazi u najniže stanje mirovanja ispod 3uA između uzoraka. Zapravo je još uvijek jednostavan za upotrebu i još energetski učinkovitiji jer morate uzeti samo jedno mjerenje umjesto dva da biste dobili najnovije podatke, tj. Nulto međuspremljenje.

U nastavku pogledajte grafikon trenutnog u odnosu na vrijeme ovog novog RT načina rada.

Korak 3: Stvarna mjerenja

Korištenje MC kontinuiranog načina rada za rijetka IoT mjerenja nema smisla jer su nam potrebna samo pojedinačna mjerenja. Stoga možemo usmjeriti pažnju na SS i RT načine rada. Rukovanje tinyLiDAR -om iz reguliranog napajanja od +2,8v pruža nam najmanju disipaciju snage. Dakle, koristeći unaprijed postavljene postavke visoke preciznosti (200 ms), izmjerili smo sljedeću potrošnju energije na tinyLiDAR -u:

SS/režim u jednom koraku: prosečno 31,2 mJ tokom 2 merenja

RT/način rada u realnom vremenu: 15,5 mJ u prosjeku za 1 mjerenje

Uključivanjem ovih gornjih vrijednosti u našu energetsku formulu i normalizacijom na jednu sekundu možemo pronaći očekivanja vremena rada pod pretpostavkom da je energija iz naše baterije 36000 J.

Slučaj A: čitanje svake sekunde (2 očitavanja da biste dobili najnovije podatke) Tc = 1sekTon = 210ms po čitanju x 2 očitanja Toff = Tc - Ton = 580msIon (avg) = 26,5mA po očitanju Ioff (avg) = 3uA struja mirovanja Vcc = Napon napajanja 2.8V Aktivna energija koju troši opterećenje u džulima je Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Neaktivna energija koju troši opterećenje u džulima je Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ Normalizacija na TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ ili 31.2mJ u sekundi Vrijeme rada u sekundama je stoga ukupna potrošena energija izvora/energije koja iznosi 36000J / 31,2 mJ = 1155000 sekundi = 320 sati = 13,3 dana

Ponavljajući ove proračune, možemo pronaći vrijeme izvođenja za druge scenarije:

SS način rada

Slučaj A: 2 očitanja u sekundi. Normalizirana energija je 31,2 mJ. Stoga je vrijeme izvođenja 13,3 dana.

Slučaj B: 2 očitanja u minuti. Normalizirana energija je 528uJ. Stoga je vrijeme rada 2,1 godinu.

Slučaj C: 2 očitanja po satu. Normalizovana energija je 17uJ. Vrijeme rada računa se na >> 10 godina, stoga je opterećenje zbog tinyLiDAR -a zanemarivo. Baterija će stoga biti ograničena samo trajanjem (tj. Približno 5 godina)

RT način rada

Slučaj A: 1 čitanje u sekundi. Normalizirana energija je 15,5 mJ. Stoga je vrijeme izvršavanja 26,8 dana.

Slučaj B: 1 čitanje po minuti. Normalizirana energija je 267uJ. Stoga je vrijeme rada 4,3 godine.

Slučaj C: 1 čitanje po satu. Normalizirana energija iznosi 12,7uJ. Vrijeme rada računa se na >> 10 godina, stoga je opterećenje zbog tinyLiDAR -a zanemarivo. Baterija će stoga biti ograničena samo rokom trajanja (tj. Približno 5 godina)

Stoga je novi način rada u stvarnom vremenu s korištenjem ciklusa spavanja prednost za produljenje vremena trajanja za 4 godine ako se jedno mjerenje vrši svake minute kako je prikazano u slučaju B.

Imajte na umu da potrošnja energije glavnog kontrolera nije uzeta u obzir za ovu analizu, a specifikacije baterije su na konzervativnoj strani. Po želji možete pronaći mnogo snažnije baterije koje odgovaraju vašim potrebama.

Hvala vam na čitanju i budite u toku jer ćemo pružiti radni primjer IoT -a koristeći tinyLiDAR za našu sljedeću instrukciju. Živjeli!