„TinyLiDAR“, skirtas daiktų internetui: 3 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Jei apsižvalgysite, pastebėsite, kad kasdieniame gyvenime naudojama daug išmanių prietaisų. Paprastai jie maitinami baterijomis ir paprastai yra kažkaip prijungti prie interneto (dar žinomo kaip „debesis“). Visa tai vadiname „daiktų interneto“įrenginiais ir šiandien jie greitai tampa įprasta vieta pasaulyje.

Daiktų interneto sistemų inžinieriams daug pastangų skiriama energijos suvartojimo optimizavimui. To priežastis, žinoma, yra ribota baterijų talpa. Baterijų keitimas dideliais kiekiais atokiose vietovėse gali būti labai brangus pasiūlymas.

Taigi ši instrukcija skirta optimizuoti galią „tinyLiDAR“.

TL; DR santrauka

Turime naują matavimo režimą „Real Time“(nuo 1.4.0 programinės įrangos), kad padėtume maksimaliai padidinti akumuliatoriaus veikimo laiką daiktų interneto įrenginiuose.

Išspauskite daugiau sulčių iš baterijų

Intuityviai galime padidinti veikimo laiką tiesiog sumažindami daiktų interneto įrenginių energijos suvartojimą. Gerai, tai akivaizdu! Bet kaip tai padaryti efektyviai ir tinkamai apskaičiuoti numatomą veikimo laiką? Išsiaiškinkime…

1 žingsnis: gryna energija

Yra daug būdų tai padaryti, bet mes norime tai suskaidyti į pagrindus ir viską paversti energija. Elektros energija matuojama džauliais (simbolis J) ir pagal apibrėžimą:

Džoulas yra energija, išsisklaidanti kaip šiluma, kai vieno stiprintuvo elektros srovė praeina per vieną omą vieną sekundę.

Kadangi energija (E) taip pat yra įtampa (V) x krūvis (Q), turime:

E = V x Q

Q yra dabartinis (I) x laikas (T):

Q = I x T

Taigi energiją džauliais galima išreikšti taip:

E = V x I x T

kur V yra įtampa, I yra srovė amperais, o T - laikas sekundėmis.

Tarkime, kad turime baterijų paketą, kurį sudaro keturios AA šarminės (LR6) baterijos, sujungtos nuosekliai. Tai suteiks mums bendrą pradinę įtampą 4*1,5v = 6v. Šarminės AA baterijos naudojimo laikas yra maždaug 1,0 V, todėl vidutinė įtampa būtų apie 1,25 V. Pagal mfr duomenų lapą „Pristatomas pajėgumas priklauso nuo taikomos apkrovos, darbinės temperatūros ir išjungimo įtampos“. Taigi galime manyti, kad apie 2000 mAh ar geriau, kai naudojama mažai energijos, pvz., Daiktų interneto įrenginys.

Todėl galime apskaičiuoti, kad prieš pakeisdami šią bateriją turime 4 ląsteles x 1,25 V x 2000 mAh * 3600 sek. = 36000 J energijos.

Siekiant paprastesnių skaičiavimų, mes taip pat galime manyti, kad mūsų sistemos reguliatoriaus konversijos efektyvumas yra 100%, ir nepaisyti pagrindinio valdiklio energijos suvartojimo.

Žodis apie dviračių sportą

Ne, ne tas, su kuriuo važiuoji! Yra keletas techninių sąvokų, žinomų kaip „Power Cycling“ir „Sleep Cycling“. Abu jie gali būti naudojami energijos suvartojimui sumažinti, tačiau tarp jų yra skirtumas. Pirmasis apima prietaiso išjungimą, kol prireiks, ir tik trumpam įjungimą, kad būtų galima atlikti matavimą ir tt Nors šis metodas yra viliojantis naudoti dėl nulio išjungimo srovės, yra trūkumas ne trivialus laiko atsarginiam įkrovimui ir energijos deginimui.

Antroji koncepcija apima tik prietaiso laikymą miego režimu su viltimi, kad jis atsibus greičiau, tačiau miegodami sudeginsite ribotą srovės kiekį. Taigi, kurį geriausia naudoti?

Tai priklauso nuo to, kaip dažnai reikia pabusti.

2 žingsnis: paleiskite skaičius

Mes norime rasti bendrą energijos kiekį (E), normalizuotą iki 1 sekundės kiekvienam toliau išvardytam scenarijui.

A atvejis: Tc = 1sec; matuokite atstumą kas sekundę B atvejis: Tc = 60 s; kas minutę išmatuokite atstumą. C atvejis: Tc = 3600 sek.; matuokite atstumą kas valandą.

Norėdami tai padaryti, galime pasakyti, kad Tc yra mūsų matavimų ciklo laikas, toninis aktyvusis laikas ir neaktyviojo laiko išjungimas bei pertvarkomos mūsų energijos formulės, kaip parodyta čia:

„TinyLiDAR“paleidimo laikas yra apie 300 ms ar trumpesnis ir per tą laiką vidutiniškai užtruks 12,25 mA, kai jis veikia iš reguliuojamo 2,8 V maitinimo šaltinio. Taigi kiekvienam paleidimui jis sunaudos maždaug 10,3 mJ energijos.

„TinyLiDAR“miego/ramybės srovė yra ypač maža 3uA. Tai yra daug mažiau nei šarminio akumuliatoriaus 0,3% mėnesio savaiminio išsikrovimo greitis, todėl čia ištirsime naudodamiesi tik „miego ciklo“metodu.

Kodėl gi ne atsisakyti mikro ir eiti tiesiai prie VL53 jutiklio?

Atsakymas į šį klausimą nėra toks akivaizdus. Ankstyvosiomis išmaniųjų telefonų kūrimo dienomis sužinojome, kad energiją alkanas didelės spartos procesorius, leidžiantis groti mp3, yra patikimas būdas sumažinti baterijos veikimo laiką. Jau tada mes dėjome visas pastangas, kad periferijoje, pvz., Muzikai groti, būtų naudojami mažesnės galios „taikomieji procesoriai“. Šiandien tai nėra labai skirtinga ir iš tikrųjų, galima sakyti, tai dar svarbiau, nes mes miniatiūrizuojame visus šiuos daiktų interneto įrenginius, mažėjant akumuliatoriaus talpai. Taigi ypač mažos galios programų procesoriaus naudojimas vieninteliam uždaviniui valdyti VL53 jutiklį ir pateikti duomenis, paruoštus tolesniam apdorojimui, yra neabejotinas bet kurios akumuliatoriumi varomos programos privalumas.

tinyLiDAR matavimo režimai

Vartotojo vadove šiuo metu gali būti neaišku [bet kada tai bus, nes mes visada atnaujiname savo vartotojo vadovą:)] - iš tikrųjų tinyLiDAR yra 3 skirtingi matavimo režimai.

MC režimas

Nuo „tinyLiDAR“įkūrimo mes buvome apsėstas bandymo gauti greitesnius matavimus iš VL53 ToF jutiklio. Taigi optimizavome savo programinę įrangą, kad iš jos gautume greičiausius ir nuosekliausius srautinio perdavimo duomenis. Tai apėmė buferio įvedimą. Šiek tiek buferio yra geras dalykas, nes tai leidžia pagrindiniam valdikliui (ty „Arduino“) greitai gauti matavimo duomenis ir pereiti prie svarbesnių dalykų. Todėl buferizavimas yra absoliučiai būtinas ir dėl to mes galime pasiekti didesnį nei 900 Hz srautą net ir palyginti lėtai „Arduino UNO“. Taigi greičiausias atsako laikas bus naudojant „tinyLiDAR“MC arba „nuolatinį“režimą.

BTW, jei kada nors turėsite galimybę, turėtumėte prijungti nuoseklųjį kabelį prie TTY išvesties kaiščio „tinyLiDAR“ir pamatysite, ką veikia šis MC režimas. Tai tiesiogine prasme matuoja kuo greičiau ir tai darydama, ji užpildo savo I2C buferį absoliučiais naujausiais duomenimis. Deja, kadangi jis veikia visu greičiu, jis taip pat degina maksimalią galią. Žemiau rasite šio MC režimo dabartinio ir laiko grafiką.

SS režimas

Kitas režimas yra „vieno žingsnio“režimas, kurį mes vadiname „SS“. Tai iš esmės yra tas pats aukšto našumo režimas aukščiau, bet vienoje žingsnyje. Taigi galite greitai gauti atsakymus iš „tinyLiDAR“, tačiau duomenys bus iš ankstesnio pavyzdžio, todėl turėsite atlikti du matavimus, kad gautumėte naujausius duomenis. Žemiau rasite šio SS režimo dabartinio ir laiko grafiką.

Abu aukščiau išvardyti režimai daugumai vartotojų puikiai tinka, nes jais naudotis buvo greita ir paprasta - tiesiog išduokite komandą „D“ir perskaitykite rezultatus. Tačiau…

Judėdami į IoT pasaulį, kuriame skaičiuojamas kiekvienas milijoulas, turime naują paradigmą.

Ir tai visiškai priešinga tam, ką mes užkodavome „tinyLiDAR“! Daiktų interneto pasaulyje mums reikia vienkartinių matavimų retais intervalais, kad taupytume energiją ir pratęstume veikimo laiką.

RT režimas

Džiugu, kad dabar galime pasakyti, kad mes turime šio scenarijaus sprendimą, susijusį su programine įranga 1.4.0. Jis vadinamas „RT“režimu „realaus laiko“matavimams. Ir iš esmės jis įgyvendina trigerio, laukimo ir skaitymo metodą. Norėdami jį naudoti, vis tiek galite tiesiog išduoti komandą „D“, kad pradėtumėte matavimą, tačiau šiam RT režimui reikia palaukti atitinkamo laiko, kol matavimas bus baigtas, ir tada perskaityti rezultatus. „tinyLiDAR“automatiškai pereina į žemiausią ramybės būseną-subu 3uA tarp mėginių. Tai iš tikrųjų vis dar paprasta naudoti ir dar efektyviau naudoti energiją, nes norint gauti naujausius duomenis, reikia atlikti tik vieną matavimą, o ne du, t.

Žemiau rasite šio naujo RT režimo dabartinio ir laiko grafiką.

3 žingsnis: faktiniai matavimai

Naudoti MC nepertraukiamą režimą retiems daiktų interneto matavimams nėra prasmės, nes mums reikia tik vienkartinių matavimų. Taigi galime sutelkti dėmesį į SS ir RT režimus. Naudojant „tinyLiDAR“iš reguliuojamo +2,8 V maitinimo šaltinio, mes skleidžiame mažiausią galią. Taigi, naudodami didelio tikslumo (200 ms) išankstinius nustatymus, „tinyLiDAR“matavome šias energijos sąnaudas:

SS/vieno žingsnio režimas: vidutiniškai 31,2 mJ per 2 matavimus

RT/realaus laiko režimas: 15,5 mJ vidutiniškai per vieną matavimą

Prijungę šias aukščiau pateiktas vertes į mūsų energijos formulę ir normalizavę iki vienos sekundės, galime rasti veikimo laiko lūkesčius, darant prielaidą, kad mūsų akumuliatoriaus energija yra 36000 J.

A atvejis: skaitymas kas sekundę (norint gauti naujausius duomenis, reikia atlikti 2 rodmenis) Tc = 1secTon = 210ms per skaitymą x 2 rodmenys 2.8 V maitinimo įtampa Aktyvi energija, sunaudota apkrova džauliais, yra Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Neaktyvi energija, sunaudota apkrova džauliais, yra Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ Normalizavimas iki TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ arba 31.2mJ per sekundę Veikimo laikas sekundėmis yra visa šaltinio/sunaudotos energijos energija, kuri yra 36000J / 31,2 mJ = 1155000 sekundžių = 320 valandų = 13,3 dienų

Kartodami šiuos skaičiavimus, galime rasti kitų scenarijų vykdymo laiką:

SS režimas

A atvejis: 2 rodmenys per sekundę. Normalizuota energija yra 31,2 mJ. Todėl veikimo laikas yra 13,3 dienos.

B atvejis: 2 rodmenys per minutę. Normalizuota energija yra 528uJ. Todėl veikimo laikas yra 2,1 metų.

C atvejis: 2 rodmenys per valandą. Normalizuota energija yra 17uJ. Veikimo laikas apskaičiuojamas >> 10 metų, todėl įkėlimas dėl tinyLiDAR yra nereikšmingas. Todėl akumuliatorių rinkinį ribos tik jo galiojimo laikas (ty maždaug 5 metai)

RT režimas

A atvejis: 1 skaitymas per sekundę. Normalizuota energija yra 15,5 mJ. Todėl veikimo laikas yra 26,8 dienos.

B atvejis: 1 skaitymas per minutę. Normalizuota energija yra 267uJ. Taigi veikimo laikas yra 4,3 metų.

C atvejis: 1 skaitymas per valandą. Normalizuota energija yra 12,7uJ. Veikimo laikas apskaičiuojamas >> 10 metų, todėl įkėlimas dėl tinyLiDAR yra nereikšmingas. Todėl akumuliatorių rinkinį ribos tik jo galiojimo laikas (ty maždaug 5 metai)

Taigi naujasis realaus laiko režimas, naudojant dviračių miego režimą, yra naudingas norint pratęsti veikimo laiką per pastaruosius 4 metus, jei kas minutę atliekamas vienas matavimas, kaip parodyta B atveju.

Atminkite, kad atliekant šią analizę nebuvo atsižvelgta į pagrindinio valdiklio energijos suvartojimą, o akumuliatoriaus specifikacijos buvo konservatyvios. Jūs galite rasti daug galingesnių baterijų pagal savo poreikius.

Dėkojame, kad skaitote, ir sekite naujienas, nes pateiksime veikiantį daiktų interneto pavyzdį, naudojant „tinyLiDAR“mūsų kitam nurodymui. Sveikinimai!