TinyLiDAR për IoT: 3 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

Nëse shikoni përreth, do të vini re se shumë pajisje të vogla të zgjuara po përdoren në jetën e përditshme. Ata zakonisht janë të mundësuar nga bateria dhe zakonisht lidhen me internetin (aka 'cloud') disi. Këto janë të gjitha ato që ne i quajmë pajisje 'IoT' dhe ato po bëhen me shpejtësi vend i zakonshëm në botë sot.

Për Inxhinierët e Sistemit IoT, shumë përpjekje të projektimit shpenzohen për të optimizuar konsumin e energjisë. Arsyeja për këtë është natyrisht për shkak të kapacitetit të kufizuar të disponueshëm në bateri. Ndryshimi i baterive në sasi të mëdha në zona të largëta mund të jetë një propozim shumë i shtrenjtë.

Pra, kjo e udhëzueshme ka të bëjë me optimizimin e fuqisë në tinyLiDAR.

TL; Përmbledhje DR

Ne kemi një mënyrë të re të matjes "Real Time" (që nga firmware 1.4.0) për të ndihmuar në maksimizimin e kohës së funksionimit të baterisë në pajisjet IoT.

Shtrydhni më shumë lëng nga bateritë

Në mënyrë intuitive, ne mund të rrisim kohën e funksionimit thjesht duke zvogëluar konsumin e energjisë të pajisjeve IoT. Mirë pra është e qartë! Por si mund ta bëni këtë në mënyrë efektive dhe të llogaritni siç duhet kohën e pritshme të ekzekutimit? Le ta zbulojmë…

Hapi 1: Energji e pastër

Ka shumë mënyra për ta bërë këtë, por ne preferojmë ta zbërthejmë atë në bazat dhe të konvertojmë gjithçka në energji. Energjia elektrike matet në Xhaul (simboli J) dhe me përkufizim:

Një Joule është energjia e shpërndarë si nxehtësi kur një rrymë elektrike prej një amp kalon përmes një rezistence prej një ohm për një periudhë prej një sekonde.

Meqenëse energjia (E) është gjithashtu tension (V) x ngarkesë (Q), ne kemi:

E = V x Q

Q është aktuale (I) x kohë (T):

Q = I x T

Pra, energjia në Joules mund të shprehet si:

E = V x I x T

ku V është tensioni, I është rryma në Amper dhe T është koha në sekonda.

Le të supozojmë se kemi një paketë baterie të përbërë nga katër bateri alkaline AA (LR6) të lidhura në seri. Kjo do të na japë një tension total fillestar prej 4*1.5v = 6v. Fundi i jetës për një bateri alkaline AA është afërsisht 1.0v kështu që tensioni mesatar do të ishte rreth 1.25v. Sipas fletës së të dhënave mfr "Kapaciteti i dorëzuar varet nga ngarkesa e aplikuar, temperatura e funksionimit dhe tensioni i ndërprerjes." Kështu që ne mund të supozojmë rreth 2000mAhr ose më mirë për një aplikim të ulët të shkarkimit siç është një pajisje IoT.

Prandaj mund të llogarisim që kemi 4 qeliza x 1.25V për qelizë x 2000mAhr * 3600sec = 36000 J energji të disponueshme nga kjo paketë baterie para se të zëvendësohet.

Për hir të llogaritjeve më të thjeshta, ne gjithashtu mund të supozojmë se efikasiteti i konvertimit është 100% për rregullatorin e sistemit tonë dhe të injorojmë konsumin e energjisë të kontrolluesit të hostit.

Një fjalë për biçikletën

Jo, jo tipi me të cilin hipni! Ekzistojnë disa koncepte teknike të njohura si "Çiklizëm me fuqi" dhe "Çiklizëm në gjumë". Të dy mund të përdoren për të ulur konsumin e energjisë, por ekziston një ndryshim midis të dyve. E para përfshin mbylljen e pajisjes tuaj derisa të jetë e nevojshme dhe pastaj ndezjen e saj vetëm për një kohë të shkurtër për të kryer një matje etj. Edhe pse kjo metodë është joshëse për t'u përdorur për shkak të rrymës zero të fikjes, ka një pengesë ku do të marrë pak sasi jo e parëndësishme e kohës për të nisur dhe për të djegur energji gjatë kësaj.

Koncepti i dytë përfshin vetëm mbajtjen e pajisjes në modalitetin e gjumit me shpresën se do të zgjohet më shpejt, por ju do të digjni një sasi të kufizuar të rrymës ndërsa është duke fjetur. Pra, cila është më e mira për t'u përdorur?

Varet nga sa shpesh keni nevojë të zgjoheni.

Hapi 2: Drejtoni Numrat

Ne duam të gjejmë energjinë totale (E) të normalizuar në 1 sekondë për secilin skenar të listuar më poshtë.

Rasti A: Tc = 1sek; bëni një matje të distancës çdo sekondë Rasti B: Tc = 60sek; bëni një matje të distancës çdo minutë. Rasti C: Tc = 3600sek; bëni një matje të distancës çdo orë.

Për ta bërë këtë, mund të themi se Tc është koha e ciklit për matjet tona, tonifikoni kohën aktive dhe kaloni kohën joaktive dhe riorganizoni formulat tona të energjisë siç tregohet këtu:

Për tinyLiDAR, koha e fillimit është rreth 300ms ose më pak dhe gjatë kësaj kohe do të marrë një mesatare prej 12.25mA ndërsa funksionon nga një furnizim i rregulluar 2.8v. Prandaj do të konsumojë afërsisht 10.3mJ energji për secilën startup.

Rryma e gjumit/qetësisë për tinyLiDAR është një 3uA ultra e ulët. Kjo është shumë më e ulët se norma mujore e shkarkimit prej 0.3% e një pakete baterie alkaline, kështu që ne do të hetojmë duke përdorur këtu vetëm metodën e "çiklizmit të gjumit".

Pse të mos heqësh dorë nga mikro dhe të shkosh direkt te sensori VL53?

Përgjigja për këtë nuk është aq e qartë. Në ditët e para të zhvillimit të telefonave inteligjentë mësuam se mbajtja gjallë e procesorit të uritur me shpejtësi të lartë për të luajtur mp3 ishte një metodë e sigurt për të zvogëluar jetën e baterisë. Edhe atëherë ne bëmë çdo përpjekje të mundshme për të përdorur "përpunues aplikimesh" me fuqi më të ulët për detyra periferike si luajtja e muzikës. Nuk është shumë ndryshe sot dhe në fakt, mund të thuash se është edhe më e rëndësishme pasi ne i miniaturizojmë të gjitha këto pajisje IoT me çdo kapacitet në rënie të baterisë. Pra, përdorimi i një procesori aplikimi me fuqi jashtëzakonisht të ulët për detyrën e vetme të kontrollit të sensorit VL53 dhe sigurimi i të dhënave të gatshme për përpunim të mëtejshëm është një pasuri e caktuar për çdo aplikacion të mundësuar nga bateria.

mënyrat e matjes tinyLiDAR

Mund të mos jetë e qartë në manualin e përdoruesit në këtë kohë [por do të jetë në një moment pasi ne jemi gjithmonë duke përditësuar manualin tonë të përdoruesit:)] - në fakt ekzistojnë 3 mënyra të ndryshme të matjes në tinyLiDAR.

MC Mode

Që nga fillimi i tinyLiDAR, ne ishim të fiksuar me përpjekjen për të marrë matje më të shpejta nga sensori VL53 ToF. Kështu që ne kemi optimizuar firmware -in tonë për të marrë të dhënat më të shpejta dhe më të qëndrueshme të transmetimit prej tij. Kjo përfshinte futjen e amortizimit. Një ruajtje e vogël është një gjë e mirë pasi lejon kontrolluesin e hostit (d.m.th. Arduino) të marrë të dhënat e matjes së tij në një çast dhe të kalojë në gjëra më të rëndësishme. Prandaj, ruajtja është absolutisht e nevojshme dhe për shkak të kësaj ne jemi në gjendje të arrijmë norma transmetimi që tejkalojnë 900Hz edhe në Arduino UNO relativisht të ngadaltë. Prandaj, koha më e shpejtë e përgjigjes do të jetë në përdorimin e MC të tinyLiDAR ose modalitetit "të vazhdueshëm".

BTW, nëse ju jepet ndonjëherë një shans, duhet të lidhni një kabllo serike me pinin dalës TTY në tinyLiDAR dhe do të shihni se çfarë bën kjo mënyrë MC. Ajo fjalë për fjalë merr një matje aq shpejt sa të jetë e mundur dhe duke e bërë këtë, ajo mbush tamponin e saj I2C me të dhënat absolute më të fundit. Fatkeqësisht, meqenëse po funksionon me shpejtësi të plotë, po djeg edhe sasinë maksimale të energjisë. Shikoni më poshtë për grafikun aktual kundrejt kohës së kësaj mënyre MC.

Mënyra SS

Mënyra tjetër është ajo që ne e quajmë "SS" për modalitetin "hap i vetëm". Kjo është në thelb e njëjta mënyrë e performancës së lartë më lart, por në vend të kësaj në një lak të vetëm. Kështu që ju mund të merrni përgjigje të shpejta nga tinyLiDAR, por të dhënat do të jenë nga mostra e mëparshme, kështu që do t'ju duhet të bëni dy matje për të marrë të dhënat më të fundit. Shikoni më poshtë për grafikun aktual kundrejt kohës së kësaj mënyre SS.

Të dyja mënyrat e mësipërme i përshtaten faturës mirë për shumicën e përdoruesve pasi ato ishin të shpejta dhe të lehta për t'u përdorur - thjesht lëshoni një komandë "D" dhe lexoni rezultatet. Megjithatë…

Duke ecur përpara drejt botës IoT ku çdo milli-Joule vlen, ne kemi një paradigmë të re.

Dhe është e kundërta e saktë me atë që kemi koduar në tinyLiDAR! Për botën IoT ne kemi nevojë për matje të vetme në intervale të rralla në mënyrë që të ruajmë fuqinë dhe të zgjasim kohën e funksionimit.

Mënyra RT

Për fat të mirë, tani mund të themi se kemi një zgjidhje për këtë skenar që nga firmware 1.4.0. Quhet mënyra "RT" për matjet "në kohë reale". Dhe në thelb zbaton një metodë të shkaktimit, pritjes dhe leximit. Për ta përdorur atë, ju ende mund të lëshoni komandën "D" për të filluar matjen, por për këtë mënyrë RT ju duhet të prisni një kohë të përshtatshme që matja të përfundojë dhe pastaj të lexoni rezultatet. tinyLiDAR shkon automatikisht në gjendjen e tij më të ulët qetësuese të nën 3uA midis mostrave. Actuallyshtë në të vërtetë ende e thjeshtë për t'u përdorur dhe madje edhe më efiçente në energji tani pasi ju duhet të bëni vetëm një matje në vend të dy për të marrë të dhënat më të fundit, domethënë zero tampon.

Shikoni më poshtë për grafikun aktual kundrejt kohës së kësaj mënyre të re RT.

Hapi 3: Matjet aktuale

Përdorimi i modalitetit të vazhdueshëm MC për matjet e rralla të IoT ka pak kuptim pasi kemi nevojë vetëm për matje të vetme. Prandaj, ne mund të përqendrojmë vëmendjen tonë në mënyrat SS dhe RT në vend. Funksionimi i tinyLiDAR nga një furnizim i rregulluar prej +2.8v na siguron shpërndarjen më të ulët të energjisë. Pra, duke përdorur paracaktimet e Saktësisë së Lartë (200ms), ne matëm konsumin e mëposhtëm të energjisë në tinyLiDAR:

SS/mënyra me një hap: 31.2 mJ mesatarisht mbi 2 matje

Modaliteti RT/në kohë reale: mesatarisht 15.5mJ mbi 1 matje

Duke i lidhur këto vlera të mësipërme në formulën tonë të energjisë dhe duke normalizuar në një sekondë, mund të gjejmë pritshmëritë e ekzekutimit duke supozuar se energjia nga paketa jonë e baterisë është 36000 J.

Rasti A: leximi çdo sekondë (merrni 2 lexime për të marrë të dhënat më të fundit) Tc = 1secTon = 210ms për lexim x 2 lexime Toff = Tc - Ton = 580msIon (mesatar) = 26.5mA për lexim Ioff (mesatar) = 3uA rrymë qetësuese Vcc = Tensioni i furnizimit 2.8V Energjia aktive e konsumuar nga ngarkesa në Xhaul është Eon = Vcc x Jon x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Energjia joaktive e konsumuar nga ngarkesa në Xhaul është Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ Normalizimi në TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ ose 31.2mJ për sekondë Kohëzgjatja në sekonda është energjia totale e burimit/energjisë së konsumuar e cila është 36000J / 31.2mJ = 1155000 sekonda = 320 orë = 13.3 ditë

Duke përsëritur këto llogaritje, mund të gjejmë kohën e ekzekutimit për skenarët e tjerë:

Mënyra SS

Rasti A: 2 lexime në sekondë. Energjia e normalizuar është 31.2mJ. Prandaj, koha e funksionimit është 13.3 ditë.

Rasti B: 2 lexime në minutë. Energjia e normalizuar është 528uJ. Prandaj, koha e funksionimit është 2.1 vjet.

Rasti C: 2 lexime në orë. Energjia e normalizuar është 17uJ. Kohëzgjatja llogaritet në >> 10 vjet, kështu që ngarkimi për shkak të tinyLiDAR është i papërfillshëm. Paketa e baterisë do të kufizohet vetëm për shkak të jetëgjatësisë së saj (p.sh. përafërsisht 5 vjet)

Mënyra RT

Rasti A: 1 Lexim për sekondë. Energjia e normalizuar është 15.5mJ. Prandaj, koha e ekzekutimit është 26.8 ditë.

Rasti B: 1 Lexim në minutë. Energjia e normalizuar është 267uJ. Prandaj, koha e funksionimit është 4.3 vjet.

Rasti C: 1 Lexim në orë. Energjia e normalizuar është 12.7uJ. Kohëzgjatja llogaritet në >> 10 vjet, kështu që ngarkimi për shkak të tinyLiDAR është i papërfillshëm. Paketa e baterisë do të kufizohet vetëm për shkak të jetëgjatësisë së saj (p.sh. përafërsisht 5 vjet)

Prandaj, mënyra e re në kohë reale duke përdorur çiklizmin e gjumit është një përfitim këtu për të zgjatur kohën e funksionimit për 4 vjet, nëse merret një matje çdo minutë siç tregohet në rastin B.

Vini re se konsumi i energjisë i kontrolluesit të hostit nuk u mor parasysh për këtë analizë dhe specifikimet e paketës së baterisë ishin në anën konservatore. Ju mund të gjeni bateri shumë më të fuqishme sipas dëshirës që i përshtaten nevojave tuaja.

Faleminderit për leximin dhe qëndroni të sintonizuar pasi ne do të ofrojmë një shembull të punës IoT duke përdorur tinyLiDAR për udhëzuesin tonë të ardhshëm. Urime!