TinyLiDAR pre IoT: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Ak sa pozriete okolo seba, všimnete si, že v každodennom živote sa používa veľa inteligentných malých zariadení. Obvykle sú napájané z batérie a zvyčajne sú nejako pripojené k internetu (alias „cloud“). Toto sú všetky zariadenia, ktoré nazývame „IoT“, a v dnešnom svete sa rýchlo stávajú bežným miestom.

V prípade systémových inžinierov IoT sa na optimalizáciu spotreby energie vynakladá veľké úsilie v oblasti návrhu. Dôvodom je samozrejme obmedzená kapacita batérií. Výmena batérií vo veľkých množstvách v odľahlých oblastiach môže byť veľmi nákladným návrhom.

Tento návod je teda o optimalizácii výkonu v tinyLiDAR.

Súhrn TL; DR

Máme nový režim merania „v reálnom čase“(od firmvéru 1.4.0), ktorý pomáha maximalizovať výdrž batérie v zariadeniach IoT.

Stlačenie viac šťavy z batérií

Intuitívne môžeme predĺžiť dobu prevádzky jednoduchým znížením spotreby energie zariadení IoT. Dobre, to je zrejmé! Ako to však môžete urobiť efektívne a správne vypočítať očakávanú dobu prevádzky? Poďme zistiť…

Krok 1: Čistá energia

Existuje mnoho spôsobov, ako to urobiť, ale radšej to rozdelíme na základy a všetko premeníme na energiu. Elektrická energia sa meria v jouloch (symbol J) a podľa definície:

Joule je energia rozptýlená ako teplo, keď elektrický prúd jedného zosilňovača prechádza odporom jeden ohm po dobu jednej sekundy.

Pretože energia (E) je tiež napätie (V) x náboj (Q), máme:

E = V x Q

Q je aktuálny (I) x čas (T):

Q = I x T

Energiu v jouloch je možné vyjadriť ako:

E = V x I x T

kde V je napätie, I je prúd v ampéroch a T je čas v sekundách.

Predpokladajme, že máme batériu pozostávajúcu zo štyroch alkalických batérií AA (LR6) zapojených do série. To nám poskytne celkové štartovacie napätie 4*1,5v = 6v. Koniec životnosti alkalickej batérie AA je približne 1,0 V, takže priemerné napätie by bolo približne 1,25 V. Podľa technického listu výrobcu „Dodaná kapacita závisí od aplikovaného zaťaženia, prevádzkovej teploty a medzného napätia“. Môžeme teda predpokladať asi 2 000 mAh alebo lepšie pre aplikáciu s nízkym odberom, ako je zariadenie IoT.

Preto môžeme vypočítať, že máme 4 články x 1,25 V na článok x 2 000 mAh = 3 600 s = 36 000 J energie dostupnej z tejto batérie, než ju bude potrebné vymeniť.

V záujme jednoduchších výpočtov môžeme tiež predpokladať, že účinnosť konverzie je pre náš systémový regulátor 100% a ignorujeme spotrebu energie hostiteľského ovládača.

Slovo o cyklistike

Nie, nie typ, na ktorom jazdíte! Existuje niekoľko technických konceptov známych ako „Power Cycling“a „Sleep Cycling“. Obe môžu byť použité na zníženie spotreby energie, ale medzi nimi je rozdiel. Prvý z nich zahŕňa vypnutie zariadenia, kým nie je potrebné, a následné zapnutie iba na krátku dobu na vykonanie merania atď. Aj keď je táto metóda lákavá na použitie kvôli nulovému vypínaciemu prúdu, existuje nevýhoda, pri ktorej bude potrebné netriviálne množstvo času na naštartovanie a spálenie energie.

Druhý koncept spočíva v ponechaní zariadenia v režime spánku s nádejou, že sa prebudí rýchlejšie, ale počas spánku spálite určité množstvo prúdu. Čo je teda najlepšie použiť?

To závisí od toho, ako často sa potrebujete prebúdzať.

Krok 2: Spustite čísla

Chceme nájsť celkovú energiu (E) normalizovanú na 1 sekundu pre každú scénu uvedenú nižšie.

Prípad A: Tc = 1 s; merajte vzdialenosť každú sekundu Prípad B: Tc = 60 s; merajte vzdialenosť každú minútu. Prípad C: Tc = 3600 s; merajte vzdialenosť každú hodinu.

Aby sme to urobili, môžeme povedať, že Tc je čas cyklu našich meraní, ton aktívneho času a vypnutie neaktívneho času a preskupenie našich energetických vzorcov, ako je uvedené tu:

V prípade tinyLiDAR je doba spustenia asi 300 ms alebo menej a počas tejto doby to bude trvať v priemere 12,25 mA pri prevádzke z regulovaného zdroja 2,8 V. Preto pri každom spustení spotrebuje približne 10,3 mJ energie.

Klidový/kľudový prúd pre tinyLiDAR je extrémne nízky 3uA. To je oveľa nižšie, ako je 0,3% mesačná rýchlosť samovybíjania alkalickej batérie, takže tu budeme skúmať iba metódu „spánkového cyklovania“.

Prečo sa nezaobísť bez mikro a neprejdete priamo k senzoru VL53?

Odpoveď na to nie je taká jednoznačná. V počiatkoch vývoja smartphonu sme sa dozvedeli, že udržanie vysokorýchlostného procesora hladného po napájaní na prehrávanie súborov mp3 je spoľahlivou metódou na zníženie životnosti batérie. Už vtedy sme vynaložili maximálne úsilie na použitie „aplikačných procesorov“s nižším výkonom na periférne úlohy, ako je prehrávanie hudby. Dnes sa to veľmi nelíši a v skutočnosti by sa dalo povedať, že je to ešte dôležitejšie, pretože miniaturizujeme všetky tieto zariadenia IoT s každou klesajúcou kapacitou batérie. Takže použitie aplikačného procesora s extrémne nízkym výkonom na jedinú úlohu riadenia senzora VL53 a poskytovania dát pripravených na ďalšie spracovanie je jednoznačným prínosom pre každú batériou poháňanú aplikáciu.

Režimy merania tinyLiDAR

V tejto chvíli to nemusí byť v používateľskej príručke jasné [ale niekedy to bude, pretože našu príručku vždy aktualizujeme:)] - v tinyLiDAR existujú vlastne 3 rôzne režimy merania.

Režim MC

Od vzniku tinyLiDAR sme boli posadnutí snahou získať rýchlejšie merania zo senzora VL53 ToF. Preto sme optimalizovali náš firmvér, aby sme z neho získali najrýchlejšie a najkonzistentnejšie streamované údaje. To zahŕňalo zavedenie vyrovnávacej pamäte. Trochu vyrovnávacej pamäte je dobrá vec, pretože umožňuje hostiteľskému radiču (t. J. Arduino) rýchlo získať údaje o meraní a prejsť na dôležitejšie veci. Ukladanie do vyrovnávacej pamäte je preto nevyhnutné a vďaka tomu sme schopní dosiahnuť prenosové rýchlosti nad 900 Hz aj na relatívne pomalom Arduino UNO. Preto bude najrýchlejší čas odozvy v použití MC alebo „kontinuálneho“režimu tinyLiDAR.

BTW, ak budete mať niekedy šancu, mali by ste zapojiť sériový kábel do výstupného kolíka TTY na tinyLiDAR a uvidíte, čo tento režim MC robí. Meranie trvá doslova tak rýchlo, ako je to možné, a pritom zapĺňa svoj I2C buffer absolútnymi najnovšími údajmi. Bohužiaľ, pretože beží na plné obrátky, spaľuje aj maximálne množstvo energie. Nižšie nájdete aktuálny graf vs. čas tohto režimu MC.

Režim SS

Ďalším režimom je to, čo nazývame „SS“pre režim „jedného kroku“. Toto je v podstate rovnaký vyššie uvedený režim vysokého výkonu, ale namiesto toho v jednej krokovej slučke. Od tinyLiDAR teda môžete získať rýchle reakcie, ale údaje budú z predchádzajúcej vzorky, takže na získanie najnovších údajov budete musieť vykonať dve merania. Nižšie nájdete graf aktuálneho vs času tohto režimu SS.

Oba vyššie uvedené režimy vyhovujú väčšine používateľov, pretože boli rýchle a jednoduché - stačí zadať príkaz „D“a prečítať si výsledky. Avšak…

Pohybujeme sa vpred do sveta internetu vecí, kde sa počíta každý mili-Joule, máme novú paradigmu.

A je to presný opak toho, čo sme kódovali v tinyLiDAR! Pre svet IoT potrebujeme jednotlivé merania v zriedkavých intervaloch, aby sme ušetrili energiu a predĺžili dobu prevádzky.

RT režim

Našťastie môžeme teraz povedať, že pre tento scenár máme riešenie od firmvéru 1.4.0. Hovorí sa mu režim „RT“pre merania „v reálnom čase“. A v zásade implementuje metódu spúšťača, čakania a čítania. Ak ho chcete použiť, stále môžete na spustenie merania zadať príkaz „D“, ale pre tento režim RT musíte počkať primerane dlho, kým sa meranie skončí, a potom si prečítajte výsledky. tinyLiDAR automaticky prejde do svojho najnižšieho pokojového stavu medzi 3uA medzi vzorkami. V skutočnosti je používanie stále veľmi jednoduché a energeticky účinnejšie, pretože na získanie najnovších údajov, tj nulové ukladanie do vyrovnávacej pamäte, stačí vykonať iba jedno meranie namiesto dvoch.

Nižšie nájdete aktuálny graf vs čas tohto nového režimu RT.

Krok 3: Skutočné merania

Používanie kontinuálneho režimu MC na zriedkavé merania internetu vecí má malý zmysel, pretože potrebujeme iba jednotlivé merania. Preto môžeme namiesto toho zamerať svoju pozornosť na režimy SS a RT. Prevádzka tinyLiDAR z regulovaného zdroja +2,8 V nám poskytuje najmenší stratový výkon. Takže pri použití predvolieb Vysoká presnosť (200 ms) sme na tinyLiDAR zmerali nasledujúcu spotrebu energie:

SS/jednokrokový režim: 31,2 mJ v priemere z 2 meraní

RT/režim v reálnom čase: 15,5 mJ v priemere na 1 meranie

Pripojením týchto vyššie uvedených hodnôt do nášho energetického vzorca a normalizáciou na jednu sekundu nájdeme očakávania pri prevádzke za predpokladu, že energia z našej batérie je 36 000 J.

Prípad A: čítanie každú sekundu (na získanie najnovších údajov vykonajte 2 merania) Tc = 1 s Ton = 210 ms na čítanie x 2 namerané hodnoty Toff = Tc - Ton = 580 ms Ión (priemer) = 26,5 mA na čítanie Ioff (priemer) = 3uA pokojový prúd Vcc = Napájacie napätie 2,8 V Aktívna energia spotrebovaná záťažou v Jouloch je Eon = Vcc x Ion x Ton = 2,8 V x 26,5 mA * 420 ms = 31,164 mJ Neaktívna energia spotrebovaná záťažou v Jouloch je Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2,8 V x 3uA x 580ms = 4,872uJ Normalizácia na TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31,164mJ + 4,872uJ)/1 = 31,169mJ alebo 31,2mJ za sekundu Prevádzková doba v sekundách je teda celková energia spotrebovaného zdroja/energie, ktorá je 36 000J / 31,2 mJ = 1155 000 sekúnd = 320 hodín = 13,3 dní

Opakovaním týchto výpočtov nájdeme doby behu pre ostatné scenáre:

Režim SS

Prípad A: 2 čítanie za sekundu. Normalizovaná energia je 31,2 mJ. Preto je doba prevádzky 13,3 dňa.

Prípad B: 2 čítanie za minútu. Normalizovaná energia je 528uJ. Preto je životnosť 2,1 roka.

Prípad C: 2 čítanie za hodinu. Normalizovaná energia je 17uJ. Runtime sa počíta na >> 10 rokov, preto je zaťaženie kvôli tinyLiDAR zanedbateľné. Batéria bude preto obmedzená iba svojou trvanlivosťou (t.j. približne 5 rokov)

Režim RT

Prípad A: 1 čítanie za sekundu. Normalizovaná energia je 15,5 mJ. Preto je doba prevádzky 26,8 dní.

Prípad B: 1 čítanie za minútu. Normalizovaná energia je 267uJ. Preto je životnosť 4,3 roka.

Prípad C: 1 čítanie za hodinu. Normalizovaná energia je 12,7 uJ. Runtime sa počíta na >> 10 rokov, preto je zaťaženie kvôli tinyLiDAR zanedbateľné. Batéria bude preto obmedzená iba svojou trvanlivosťou (t.j. približne 5 rokov)

Preto je nový režim v reálnom čase využívajúci spánkovú cyklistiku výhodou v predĺžení doby chodu za posledné 4 roky, ak sa každú minútu vykoná jedno meranie, ako je uvedené v prípade B.

Všimnite si toho, že spotreba energie hostiteľského regulátora nebola pri tejto analýze zohľadnená a špecifikácie batériových zdrojov boli na konzervatívnej strane. Podľa potreby nájdete oveľa výkonnejšie batérie, ktoré vyhovujú vašim potrebám.

Ďakujeme za prečítanie a zostaňte naladení, pretože poskytneme funkčný príklad IoT s použitím tinyLiDAR pre náš ďalší návod. Na zdravie!