IoT үчүн TinyLiDAR: 3 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:42

Айланаңызды карасаңыз, күнүмдүк жашоодо көптөгөн акылдуу кичинекей аппараттар колдонулуп жатканын байкайсыз. Алар адатта батарейка менен иштейт жана көбүнчө Интернетке (ака "булут") кандайдыр бир жол менен туташат. Мунун баары биз "IoT" түзмөктөрү деп атаган нерселер жана алар бүгүн дүйнөдө тез эле кеңири жайылууда.

IoT системасынын инженерлери үчүн көп дизайн аракети электр энергиясын керектөөнү оптималдаштырууга жумшалат. Мунун себеби, албетте, батарейкалардагы мүмкүнчүлүктөрдүн чектелүү болгондугуна байланыштуу. Батареяларды алыскы аймактарда көп өлчөмдө алмаштыруу абдан кымбат сунуш болушу мүмкүн.

Ошентип, бул көрсөтмө tinyLiDARдеги кубаттуулукту оптималдаштыруу жөнүндө.

TL; DR кыскача

Бизде IoT түзмөктөрүндө батареянын иштөө убактысын көбөйтүүгө жардам берүү үчүн жаңы "Реалдуу убакыт" өлчөө режими (1.4.0 камтылган) бар.

Батареялардан көбүрөөк шире сыгуу

Интуитивдүү түрдө, IoT түзмөктөрүнүн энергия керектөөсүн азайтуу менен иштөө убактысын көбөйтө алабыз. Макул, бул ачык! Бирок муну кантип эффективдүү кылып, күтүлгөн иштөө убактысын туура эсептесе болот? Келгиле, билип алалы…

1 -кадам: Таза энергия

Мунун көптөгөн жолдору бар, бирок биз аны негиздерге бөлүүнү жана бардыгын энергияга айландырууну каалайбыз. Электр энергиясы Джоуль (J белгиси) менен аныкталат жана аныктамасы боюнча:

Джоуль - бул бир амптын электр тогу бир омдун каршылыгынан бир секундага өткөндө жылуулук катары тараган энергия.

Энергия (E) дагы чыңалуу (V) x заряды (Q) болгондуктан, бизде:

E = V x Q

Q учурдагы (I) х убакыт (T):

Q = I x T

Ошентип, Джоулдагы энергия төмөнкүчө чагылдырылышы мүмкүн:

E = V x I x T

бул жерде V - чыңалуу, I - ампердеги ток, ал эми T - секундадагы убакыт.

Келгиле, бизде төрт АА щелочтуу (LR6) батарейкадан турган батарейка бар деп ойлойбуз. Бул бизге 4*1.5v = 6v жалпы баштоо чыңалуусун берет. Щелочтуу АА батареянын өмүрүнүн акыры болжол менен 1.0v, ошондуктан орточо чыңалуу болжол менен 1.25v болмок. Mfr маалыматтык барагына ылайык "Жеткирилген кубаттуулук жүктөлгөн жүктөн, иштөө температурасынан жана чыңалуу чыңалуусунан көз каранды." Ошентип, биз IoT түзмөгү сыяктуу аз дренаждык колдонмо үчүн болжол менен 2000mAhr же жакшыраак деп болжолдой алабыз.

Ошентип, биз алмаштыра электе эле бул клеткада 4 клетка x 1.25V x 2000mAhr * 3600sec = 36000 J энергия бар экенин эсептей алабыз.

Жөнөкөй эсептөөлөр үчүн, биз дагы системанын регулятору үчүн конверсиянын эффективдүүлүгү 100% деп ойлоп, хост контролерунун электр керектөөсүн этибарга албайбыз.

Велосипед жөнүндө сөз

Жок, сиз минген тип эмес! "Power Cycling" жана "Sleep Cycling" деп аталган бир нече техникалык түшүнүктөр бар. Экөөнү тең энергия керектөөнү азайтуу үчүн колдонсо болот, бирок экөөнүн ортосунда айырма бар. Биринчиси, аппаратты керектүү убакытка чейин өчүрүп, андан кийин өлчөө үчүн кыска убакытка гана күйгүзүүнү камтыйт. Бул ыкма анын нөлдүк өчүрүү агымынан улам азгырылышы мүмкүн, бирок бир аз кемчилиги бар камдык жүктөө жана энергияны күйгүзүү үчүн анча маанилүү эмес убакыт.

Экинчи түшүнүк, бул түзмөктү тезирээк ойгонот деген үмүт менен уйку режиминде сактоону камтыйт, бирок сиз уктап жатканда токтун чектүү санын күйгүзөсүз. Ошентип, кайсынысын колдонуу эң жакшы?

Бул канча ирет ойгонуу керек экендигине жараша болот.

2 -кадам: Сандарды иштетүү

Биз төмөндө саналып өткөн ар бир сценарий үчүн 1 секундага чейин нормалдуу болгон жалпы энергияны (E) тапкыбыз келет.

Case A: Tc = 1sec; ар бир экинчи аралыкты өлчөө. Case B: Tc = 60sec; ар бир мүнөт аралыкты өлчөө. Case C: Tc = 3600sec; ар бир саат аралыкты өлчөө.

Бул үчүн, Tc - бул биздин өлчөөбүздүн циклдик убактысы, активдүү убакытты жана активдүү эмес убакытты айтуу жана бул жерде көрсөтүлгөндөй энергия формулаларыбызды иреттөө:

TinyLiDAR үчүн, баштоо убактысы болжол менен 300 мс же андан аз жана бул убакыттын ичинде жөнгө салынган 2.8v булагынан иштеп жатканда орто эсеп менен 12.25 мА талап кылынат. Ошентип, ар бир башталыш үчүн болжол менен 10.3mJ энергия керектелет.

TinyLiDAR үчүн уйку/тынч ток өтө төмөн 3uA болуп саналат. Бул щелочтуу батарейканын 0,3% айлык өзүн-өзү чыгаруу нормасынан алда канча төмөн, ошондуктан биз бул жерде "уйку велосипед" ыкмасын колдонуп иликтейбиз.

Эмне үчүн микро менен бөлүшүп, VL53 сенсоруна түз барбайсыз?

Буга жооп анча ачык эмес. Смартфонду өнүктүрүүнүн алгачкы күндөрүндө биз mp3ны ойнотуу үчүн жогорку ылдамдыктагы процессорду тирүү кармоо батарейканын иштөө мөөнөтүн кыскартуунун ишенимдүү ыкмасы экенин билдик. Ошол кезде деле биз музыканы ойнотуу сыяктуу перифериялык милдеттерди аткаруу үчүн төмөнкү кубаттуулуктагы "колдонмо процессорлорун" колдонууга болгон аракетибизди жумшадык. Бүгүнкү күндө анча деле айырмаланбайт жана чындыгында, биз андан да маанилүү деп айта алабыз, анткени биз бардык IoT түзмөктөрүн батарейканын сыйымдуулугу азайып баратат. Ошентип, VL53 сенсорун көзөмөлдөө жана андан ары иштетүүгө даяр маалыматтарды берүү үчүн өтө аз кубаттуулуктагы колдонмо процессорун колдонуу-бул батарейка менен иштөөчү бардык тиркемелердин анык активи.

tinyLiDAR өлчөө режимдери

Бул учурда колдонуучунун көрсөтмөсүндө түшүнүксүз болушу мүмкүн [бирок качандыр бир убакта болот, анткени биз дайыма колдонмону жаңыртып турабыз:)] - tinyLiDARда чындыгында 3 түрдүү өлчөө режими бар.

MC режими

TinyLiDAR башталгандан тартып, биз VL53 ToF сенсорунан ылдамыраак өлчөөгө аракет кылуу менен алек болчубуз. Ошентип, биз программаны оптималдаштырдык, андан эң ылдам жана ырааттуу агымдык маалыматтарды алуу үчүн. Бул буферлөөнү киргизүүнү камтыйт. Бир аз буферлөө - бул жакшы нерсе, анткени ал хост контролерине (б.а. Arduino) өлчөө маалыматтарын бир заматта алууга жана маанилүү нерселерге өтүүгө мүмкүнчүлүк берет. Ошондуктан буферлөө абдан зарыл жана ушундан улам биз салыштырмалуу жай Arduino UNOдо 900 Гцтен ашкан агым ылдамдыгына жетише алабыз. Демек, эң тез жооп берүү убактысы tinyLiDARдин MC же "үзгүлтүксүз" режимин колдонуу менен болот.

BTW, эгерде сизде мүмкүнчүлүк болсо, tinyLiDARдагы TTY чыгаруу пинине сериялык кабелди туташтырышыңыз керек жана бул МК режими эмне кылганын көрөсүз. Бул мүмкүн болушунча тезирээк өлчөөнү талап кылат жана муну менен I2C буферин абсолюттук акыркы маалыматтар менен толтурат. Тилекке каршы, ал толук ылдамдыкта иштеп жаткандыктан, максималдуу күчтү күйгүзүп жатат. Бул MC режиминин учурдагы жана убакыт графигин төмөндөн караңыз.

SS режими

Кийинки режим "бир кадам" режими үчүн "SS" деп аталат. Бул негизинен жогорудагыдай эле жогорку аткаруу режими, бирок анын ордуна бир баскычтуу циклда. Ошентип, сиз tinyLiDARдан тез жооп ала аласыз, бирок маалыматтар мурунку үлгүдөгүдөй болот, андыктан эң акыркы маалыматтарды алуу үчүн эки өлчөө керек болот. Бул SS режиминин учурдагы жана убакыттын графигин төмөндөн караңыз.

Жогорудагы эки режим тең көпчүлүк колдонуучулар үчүн мыйзам долбооруна ылайыктуу, анткени алар тез жана оңой колдонулган - жөн гана "D" буйругун чыгарып, жыйынтыктарын окуңуз. Бирок…

Ар бир милли-Джоуль эсептелген IoT дүйнөсүнө карай жылып, бизде жаңы парадигма бар.

Бул биз tinyLiDARде коддогондорго таптакыр карама -каршы! IoT дүйнөсү үчүн биз кубаттуулукту үнөмдөө жана иштөө убактысын узартуу үчүн сейрек кездешүүчү бир гана өлчөөлөргө муктажбыз.

RT режими

Бактыга жараша, азыр бизде бул сценарий үчүн 1.4.0 камтылган программа бар деп айта алабыз. Бул "реалдуу убакытта" өлчөө үчүн "RT" режими деп аталат. Ал негизинен триггер, күтүү жана окуу ыкмасын ишке ашырат. Аны колдонуу үчүн, өлчөөнү баштоо үчүн дагы эле "D" буйругун берсеңиз болот, бирок бул RT режими үчүн өлчөөнүн бүтүшү үчүн тиешелүү убакытты күтүп, анан жыйынтыктарды окуу керек. tinyLiDAR автоматтык түрдө үлгүлөрдүн ортосундагы эң төмөнкү 3uA абалына өтөт. Чындыгында колдонуу дагы деле жөнөкөй жана энергияны дагы үнөмдөөчү, анткени эң акыркы маалыматтарды алуу үчүн экөөнүн ордуна бир гана өлчөө керек, б.а. нөлдүк буферлөө.

Бул жаңы RT режиминин учурдагы жана убакыт графигин төмөндөн караңыз.

3 -кадам: Чыныгы өлчөөлөр

Сейрек кездешүүчү IoT өлчөө үчүн MC тынымсыз режимин колдонуу анча деле мааниге ээ эмес, анткени бизге бир гана өлчөөлөр керек. Демек, биз анын ордуна SS жана RT режимдерине көңүл бура алабыз. TinyLiDARдин +2.8v жөнгө салынган жабдуулардан иштеши бизге эң төмөнкү электр энергиясын сарптоону камсыз кылат. Ошентип, Жогорку Тактыкты (200ms) алдын ала орнотууну колдонууда, биз tinyLiDAR боюнча төмөнкү энергия керектөөнү өлчөдүк:

SS/бир кадам режими: 31.2 мДж 2 өлчөөдө орточо

RT/реалдуу убакыт режими: 15.5mJ 1 өлчөөдө орточо

Жогорудагы баалуулуктарды энергетикалык формулабызга киргизип, бир секундга чейин нормалдаштырсак, батарейкабыздын энергиясын 36000 Дж деп эсептеп, иштөө убактысынын күтүүлөрүн таба алабыз.

А иши: ар бир секундада окуу (акыркы маалыматты алуу үчүн 2 окууну алыңыз) Tc = 1secTon = 210ms окууга x 2 окуу Toff = Tc - Тон = 580msIon (орточо) = 26.5mA окуу үчүн Ioff (орточо) = 3uA тынч ток Vcc = 2.8V камсыздоо чыңалуусу Жоульде жүктөө менен керектелген активдүү энергия Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Joules жүктөмү менен керектелген активдүү эмес энергия 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 же 31.2mJ секундасына нормалдаштыруу Ошентип, 36000J болгон керектелген булактын/энергиянын жалпы энергиясы. / 31.2mJ = 1155000 секунд = 320 саат = 13.3days

Бул эсептөөлөрдү кайталап, биз башка сценарийлердин иштөө убактысын таба алабыз:

SS режими

А иши: секундасына 2 окуу. Нормаланган энергия 31.2mJ болуп саналат. Ошентип, иштөө убактысы 13,3 күн.

Case B: 2 мүнөтүнө окуу. Нормаланган энергия 528uJ. Ошентип, иштөө мөөнөтү 2,1 жыл.

Case C: саатына 2 окуу. Нормаланган энергия 17uJ болуп саналат. Иштөө убактысы >> 10 жыл деп эсептелет, андыктан tinyLiDARдын жардамы менен жүктөө анча деле маанилүү эмес. Батарея топтому жарактуулук мөөнөтү менен гана чектелет (б.а. болжол менен 5 жыл)

RT режими

А иши: 1 секундасына окуу. Нормалдуу энергия 15.5mJ болуп саналат. Ошентип, иштөө убактысы 26,8 күн.

Case B: 1 мүнөтүнө окуу. Нормалданган энергия 267uJ. Ошентип, иштөө мөөнөтү 4.3 жыл.

Case C: 1 окуу саатына. Нормаланган энергия 12.7uJ болуп саналат. Иштөө убактысы >> 10 жыл деп эсептелет, андыктан tinyLiDARдын жардамы менен жүктөө анча деле маанилүү эмес. Батарея топтому жарактуулук мөөнөтү менен гана чектелет (б.а. болжол менен 5 жыл)

Демек, уйку велосипедин колдонуу менен жаңы реалдуу убакыт режими бул жерде иштөө убактысын 4 жыл узартуунун пайдасы болуп саналат, эгерде В учурда көрсөтүлгөндөй ар бир мүнөт сайын бир өлчөө алынса.

Эскертүү, бул талдоодо контролердун энергия керектөөсү эске алынган эмес жана батареянын өзгөчөлүктөрү консервативдүү тарапта болгон. Сиз керектөөлөрүңүзгө жараша каалагандай күчтүү батареяларды таба аласыз.

Окуганыңыз үчүн рахмат жана күтө туруңуз, анткени биз кийинки үйрөткүчтөрүбүз үчүн tinyLiDARди колдонуп IOTтун мисалын беребиз. Ура!