IoT üçün TinyLiDAR: 3 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:48

Ətrafınıza baxsanız, gündəlik həyatda çoxlu ağıllı cihazların istifadə edildiyini görəcəksiniz. Ümumiyyətlə batareyadan işləyirlər və ümumiyyətlə İnternetə (aka 'bulud') bir şəkildə bağlanırlar. Bunların hamısı 'IoT' adlandırdığımız cihazlardır və bu gün sürətlə dünyada adi bir yerə çevrilirlər.

IoT Sistem Mühəndisləri üçün çoxlu dizayn səyləri enerji istehlakının optimallaşdırılmasına sərf olunur. Bunun səbəbi, əlbəttə ki, batareyalarda olan məhdud tutumdur. Uzaq bölgələrdə böyük miqdarda batareyaların dəyişdirilməsi çox bahalı bir təklif ola bilər.

Beləliklə, bu təlimat tinyLiDAR -da gücün optimallaşdırılması ilə əlaqədardır.

TL; DR xülasəsi

IoT cihazlarında batareyanın işləmə müddətini artırmaq üçün yeni "Real Zaman" ölçmə rejimimiz (firmware 1.4.0 -dan etibarən) var.

Batareyalardan daha çox şirə sıxmaq

Sezgisel olaraq, sadəcə IoT cihazlarının enerji istehlakını azaldaraq işləmə müddətini artıra bilərik. Tamam, aydındır! Bəs bunu necə səmərəli edə və gözlənilən iş vaxtını düzgün hesablaya bilərsiniz? Gəlin öyrənək…

Addım 1: Saf Enerji

Bunun bir çox yolu var, amma biz bunu əsaslara bölmək və hər şeyi enerjiyə çevirmək istəyirik. Elektrik enerjisi Joules (J simvolu) və tərifi ilə ölçülür:

Joule, bir amperin elektrik cərəyanı bir ohm müqavimətindən bir saniyə ərzində keçdiyi zaman istilik kimi yayılan enerjidir.

Enerji (E) eyni zamanda gərginlik (V) x yük (Q) olduğundan, bizdə var:

E = V x Q

Q cari (I) x vaxt (T):

Q = I x T

Beləliklə, Joulesdəki enerji aşağıdakı kimi ifadə edilə bilər:

E = V x I x T

burada V gərginlikdir, mən Amperdəki cərəyan, T saniyələrdəki vaxtdır.

Tutaq ki, ardıcıl olaraq bağlanmış dörd AA qələvi (LR6) batareyadan ibarət bir batareya paketimiz var. Bu bizə ümumi başlanğıc gərginliyini 4*1.5v = 6v verəcək. Qələvi AA batareyasının ömrünün sonu təxminən 1.0v -dir, buna görə orta gərginlik təxminən 1.25v -dir. Mfr məlumat cədvəlinə görə "Çatdırılan tutum tətbiq olunan yükdən, işləmə temperaturundan və kəsmə gərginliyindən asılıdır." Beləliklə, IoT cihazı kimi aşağı drenaj tətbiqi üçün təxminən 2000mAhr və ya daha yaxşı olduğunu düşünə bilərik.

Buna görə də, dəyişdirilmədən əvvəl bu hüceyrə paketində 4 hüceyrə x 1.25V x 2000mAhr * 3600sec = 36000 J enerji olduğunu hesablaya bilərik.

Daha sadə hesablamalar üçün, sistem tənzimləyicimiz üçün dönüşüm səmərəliliyinin 100% olduğunu qəbul edə bilərik və ana nəzarətçinin enerji istehlakına məhəl qoymuruq.

Velosiped haqqında bir söz

Xeyr, mindiyiniz tip deyil! "Power Cycling" və "Sleep Cycling" kimi tanınan bir neçə texniki anlayış var. Hər ikisi də enerji istehlakını azaltmaq üçün istifadə edilə bilər, ancaq ikisi arasında bir fərq var. Birincisi, cihazınızı lazım olana qədər söndürməyi və sonra ölçmə aparmaq üçün yalnız qısa bir müddətə açmağı və s. Sıfır söndürmə cərəyanı səbəbiylə istifadə etmək cazibədar olmasına baxmayaraq, bir az çəkəcəyi bir çatışmazlıq var. bunu edərkən enerjini geri yükləmək və yandırmaq üçün əhəmiyyətsiz vaxt.

İkinci konsepsiya, cihazı daha sürətli oyanacağına ümid edərək yuxu rejimində saxlamağı nəzərdə tutur, ancaq yatarkən bir az miqdarda cərəyan yandıracaqsınız. Bəs hansı istifadə etmək daha yaxşıdır?

Nə qədər tez oyanmaq lazım olduğuna bağlıdır.

Addım 2: Nömrələri Çalışdırın

Aşağıda sadalanan hər bir ssenari üçün 1 saniyəyə qədər normallaşdırılmış ümumi enerjini (E) tapmaq istəyirik.

A işi: Tc = 1sn; hər saniyədə bir məsafə ölçmə aparın B işi: Tc = 60sn; hər dəqiqədə bir məsafə ölçmək. C işi: Tc = 3600sn; hər saat məsafə ölçmə aparın.

Bunu etmək üçün, Tc -nin ölçülərimiz üçün dövr dövrü olduğunu söyləyə bilərik, aktiv vaxtı aktivləşdiririk və qeyri -aktiv vaxta davam edirik və enerji düsturlarımızı burada göstərildiyi kimi yenidən düzəldirik:

TinyLiDAR üçün başlanğıc müddəti təxminən 300 ms və ya daha azdır və bu müddət ərzində tənzimlənmiş 2.8v bir təchizatdan işləyərkən orta hesabla 12.25mA çəkəcəkdir. Beləliklə, hər bir başlanğıc üçün təxminən 10.3mJ enerji sərf edəcək.

TinyLiDAR üçün yuxu/sakit cərəyan ultra aşağı 3uA-dır. Bu, qələvi bir batareya paketinin aylıq 0.3% özünü boşalma nisbətindən çox aşağıdır, buna görə burada yalnız "yuxu velosipedi" metodundan istifadə edərək araşdıracağıq.

Niyə mikro istifadə etmədən VL53 sensoruna getməyək?

Bunun cavabı o qədər də aydın deyil. Smartfonun inkişafının ilk günlərində öyrəndik ki, mp3 səsləndirmək üçün yüksək sürətli prosessoru ac vəziyyətdə saxlamaq batareyanın ömrünü azaltmaq üçün etibarlı bir üsuldur. Hətta o vaxtlar musiqi çalmaq kimi ətraf vəzifələr üçün daha aşağı gücə malik "tətbiq prosessorlarından" istifadə etmək üçün hər cür səy göstərmişik. Bu gün çox fərqli deyil və əslində, bütün bu IoT cihazlarını hər azalan batareya tutumu ilə kiçildikcə daha da əhəmiyyətli olduğunu söyləyə bilərsiniz. VL53 sensorunu idarə etmək və sonrakı işlənməyə hazır olan məlumatları təmin etmək üçün ultra aşağı gücə malik bir tətbiq prosessorundan istifadə etmək, hər hansı bir batareya ilə işləyən tətbiq üçün mütləq bir dəyərdir.

tinyLiDAR Ölçmə rejimi

İstifadəçi təlimatında bu anda aydın olmaya bilər [ancaq istifadəçi təlimatımızı daim yenilədiyimiz üçün bir nöqtədə olacaq:)] - əslində tinyLiDAR -da 3 fərqli ölçü rejimi mövcuddur.

MC rejimi

TinyLiDAR -ın yaranmasından etibarən, VL53 ToF sensorundan daha sürətli ölçülər əldə etməyə çalışırıq. Beləliklə, ən sürətli və ardıcıl axın məlumatlarını əldə etmək üçün firmware proqramımızı optimallaşdırdıq. Bu, tamponlamanın tətbiq edilməsini nəzərdə tuturdu. Kiçik bir tamponlama yaxşı bir şeydir, çünki ana nəzarətçiyə (yəni Arduino) ölçü məlumatlarını bir anda əldə etməyə və daha vacib şeylərə keçməyə imkan verir. Bu səbəbdən tamponlama tamamilə zəruridir və buna görə nisbətən yavaş Arduino UNO -da 900Hz -dən çox axın sürətinə nail ola bilirik. Beləliklə, ən sürətli cavab müddəti tinyLiDAR -ın MC və ya "davamlı" rejimindən istifadə etmək olacaq.

BTW, əgər bir şansınız varsa, tinyLiDAR üzərindəki TTY çıxış pininə seriyalı bir kabel bağlamalısınız və bu MC rejiminin nə etdiyini görəcəksiniz. Mümkün olduğu qədər sürətli bir ölçmə aparır və bunu edərkən ən son məlumatlarla I2C tamponunu doldurur. Təəssüf ki, tam sürətlə işlədiyi üçün maksimum gücü də yandırır. Bu MC rejiminin cari və vaxt qrafiki üçün aşağıya baxın.

SS rejimi

Növbəti rejim "tək addım" rejimi üçün "SS" dediyimiz üsuldur. Bu, əsasən yuxarıdakı eyni yüksək performans rejimidir, lakin bunun əvəzinə tək bir addım döngədədir. Beləliklə, tinyLiDAR -dan sürətli cavablar ala bilərsiniz, ancaq məlumatlar əvvəlki nümunədən olacaq, buna görə ən son məlumatları əldə etmək üçün iki ölçmə aparmalı olacaqsınız. Bu SS rejiminin cari və vaxt qrafiki üçün aşağıya baxın.

Yuxarıda göstərilən rejimlərin hər ikisi tez və istifadəsi asan olduğu üçün əksər istifadəçilər üçün qanun layihəsinə uyğun gəlir - sadəcə "D" əmrini verin və nəticələri oxuyun. Lakin…

Hər bir milli-Jouleun sayıldığı IoT dünyasına doğru irəliləyərək yeni bir paradiqma əldə edirik.

Və bu, tinyLiDAR -da kodladığımızın tam əksidir! IoT dünyası üçün enerjiyə qənaət etmək və işləmə müddətini uzatmaq üçün nadir hallarda bir dəfə ölçmə aparmaq lazımdır.

RT rejimi

Sevindirici haldır ki, firmware 1.4.0 olaraq bu ssenari üçün bir həllimiz olduğunu söyləyə bilərik. "Real vaxt" ölçmələri üçün "RT" rejimi deyilir. Və əsasən bir tetikleyici, gözlə və oxu metodunu tətbiq edir. İstifadə etmək üçün ölçməyə başlamaq üçün hələ də "D" əmrini verə bilərsiniz, ancaq bu RT rejimi üçün ölçmənin bitməsi üçün uyğun bir müddət gözləməli və sonra nəticələri oxumalısınız. tinyLiDAR avtomatik olaraq nümunələr arasındakı ən aşağı sakit 3uA vəziyyətinə keçir. İstifadəsi əslində hələ də sadədir və daha da qənaətcildir, çünki ən son məlumatları əldə etmək üçün yalnız iki əvəzinə bir ölçmə aparmaq lazımdır, yəni sıfır tamponlama.

Bu yeni RT rejiminin cari və vaxt qrafiki üçün aşağıya baxın.

Addım 3: Həqiqi Ölçmələr

Nadir hallarda IoT ölçmələri üçün MC davamlı rejimdən istifadə etməyin mənası yoxdur, çünki yalnız tək ölçmələrə ehtiyacımız var. Buna görə diqqətimizi SS və RT rejimlərinə yönəldə bilərik. TinyLiDAR -ı tənzimlənən +2.8v təchizatı ilə işlətmək bizə ən aşağı enerji sərfiyyatını təmin edir. Beləliklə, Yüksək Dəqiqlik (200ms) ön ayarlarını istifadə edərkən, tinyLiDAR -da aşağıdakı enerji istehlakını ölçdük:

SS/tək addımlı rejim: 31.2 mJ 2 ölçmənin ortalamasıdır

RT/real vaxt rejimi: 15.5mJ 1 ölçmənin ortalamasıdır

Yuxarıda göstərilən dəyərləri enerji düsturumuza qoşaraq bir saniyəyə normallaşdırsaq, batareya paketimizdəki enerjinin 36000 J olduğunu düşündüyümüz iş vaxtı gözləntilərini tapa bilərik.

A işi: hər saniyədə oxumaq (ən son məlumatları əldə etmək üçün 2 oxunuş alın) Tc = 1secTon = 210ms oxuma x 2 oxuma Toff = Tc - Ton = 580msIon (ort) = 26.5mA oxuma başına Ioff (ort) = 3uA sakit cərəyan Vcc = 2.8V təchizatı gərginliyi Joules -də yük tərəfindən istehlak olunan aktiv enerji Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Joules -də yük tərəfindən istehlak edilən aktiv olmayan enerji 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 və ya saniyədə 31.2mJ -ə qədər normallaşdırma İşləmə saniyədə 36000J olan istehlak olunan enerji mənbəyidir. / 31.2mJ = 1155000 saniyə = 320 saat = 13.3 gün

Bu hesablamaları təkrarlayaraq digər ssenarilər üçün iş vaxtlarını tapa bilərik:

SS rejimi

Vəziyyət A: Saniyədə 2 oxunuş. Normallaşdırılmış enerji 31.2mJ -dir. Buna görə işləmə müddəti 13.3 gündür.

Vəziyyət B: dəqiqədə 2 oxunuş. Normallaşdırılmış enerji 528 uJ -dir. Buna görə işləmə müddəti 2.1 ildir.

Vəziyyət C: Saatda 2 oxunuş. Normallaşdırılmış enerji 17uJ -dir. İşləmə müddəti >> 10 il hesablanır, buna görə də tinyLiDAR səbəbindən yükləmə əhəmiyyətsizdir. Batareya paketi yalnız raf ömrü ilə məhdudlaşacaq (yəni təxminən 5 il)

RT rejimi

Vəziyyət A: Saniyədə 1 oxu. Normallaşdırılmış enerji 15.5mJ -dir. Buna görə işləmə müddəti 26.8 gündür.

Vəziyyət B: dəqiqədə 1 oxu. Normallaşdırılmış enerji 267 uJ -dir. Buna görə işləmə müddəti 4.3 ildir.

Vəziyyət C: Saat başına 1 oxu. Normallaşdırılmış enerji 12.7 uJ -dir. İşləmə müddəti 10 il hesablanır, buna görə də tinyLiDAR səbəbindən yükləmə əhəmiyyətsizdir. Batareya paketi yalnız raf ömrü ilə məhdudlaşacaq (yəni təxminən 5 il)

Beləliklə, yuxu velosipedindən istifadə edən yeni Real Time rejimi, B halında göstərildiyi kimi hər dəqiqədə bir ölçü alınarsa, iş müddətini 4 ildən çox uzatmağın faydasıdır.

Qeyd edək ki, bu analiz üçün ana nəzarətçinin enerji istehlakı nəzərə alınmayıb və batareya paketinin xüsusiyyətləri mühafizəkar tərəfdə idi. Ehtiyaclarınıza uyğun olaraq istədiyiniz qədər daha güclü batareyalar tapa bilərsiniz.

Oxuduğunuz üçün təşəkkür edirik və bizi izləməyə davam edin, çünki növbəti təlimatımız üçün tinyLiDAR istifadə edərək işləyən bir IoT nümunəsi verəcəyik. Sağol!