TinyLiDAR ל- IoT: 3 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

אם תסתכל מסביב, תבחין בהרבה מכשירים קטנים וחכמים נמצאים בשימוש בחיי היומיום. הם בדרך כלל מופעלים על סוללות ובדרך כלל מחוברים לאינטרנט (הידוע בשם 'הענן') איכשהו. כל אלה הם מה שאנו מכנים מכשירי 'IoT' והם הופכים במהירות למקום נפוץ בעולם כיום.

עבור מהנדסי מערכת IoT, מאמץ עיצובי רב מושקע באופטימיזציה של צריכת החשמל. הסיבה לכך נובעת כמובן מהקיבולת המוגבלת הקיימת בסוללות. החלפת סוללות בכמויות גדולות באזורים מרוחקים יכולה להיות הצעה יקרה מאוד.

אז ההנחיה הזו עוסקת בייעול הכוח ב- tinyLiDAR.

TL; סיכום DR

יש לנו מצב מדידה חדש "בזמן אמת" (החל מקושחה 1.4.0) המסייע למקסם את זמן הפעולה של הסוללה במכשירי IoT.

סוחטים יותר מיץ מהסוללות

באופן אינטואיטיבי, אנו יכולים להגדיל את זמן הריצה על ידי הפחתת צריכת החשמל של מכשירי IoT. אוקיי אז זה ברור! אך כיצד תוכל לבצע זאת בחישוב יעיל ונכון של זמן הריצה הצפוי? בוא נגלה…

שלב 1: אנרגיה טהורה

ישנן דרכים רבות לעשות זאת אך אנו מעדיפים לפרק זאת ליסודות ולהמיר הכל לאנרגיה. אנרגיה חשמלית נמדדת בג'ול (סמל J) ובהגדרה:

ג'ול היא האנרגיה המתפזרת כחום כאשר זרם חשמלי של אמפר אחד עובר בהתנגדות של אוהם אחד למשך תקופה של שנייה אחת.

מכיוון שאנרגיה (E) היא גם מתח (V) x מטען (Q), יש לנו:

E = V x Q

Q הוא הנוכחי (I) x הזמן (T):

ש = I x T

כך שאנרגיה בג'ול יכולה להתבטא כך:

E = V x I x T

כאשר V הוא המתח, I הוא הזרם באמפר ו- T הוא הזמן בשניות.

נניח שיש לנו מארז סוללות המורכב מארבע סוללות אלקליין AA (LR6) מחוברות בסדרה. זה ייתן לנו מתח התחלתי כולל של 4*1.5v = 6v. סוף החיים של סוללת AA אלקליין הוא כ -1.0 וולט, כך שהמתח הממוצע יהיה בערך 1.25 וולט. על פי גליון הנתונים של mfr "הקיבולת המסופקת תלויה בעומס המופעל, בטמפרטורת ההפעלה ובמתח החיתוך". אז נוכל להניח בערך 2000mAhr או טוב יותר ליישום ניקוז נמוך כגון מכשיר IoT.

לכן אנו יכולים לחשב שיש לנו 4 תאים x 1.25V לתא x 2000mAhr * 3600sec = 36000 J של אנרגיה זמינה מחבילת הסוללה הזו לפני ההחלפה.

למען חישובים פשוטים יותר, אנו יכולים גם להניח שיעילות ההמרה היא 100% עבור וסת המערכת שלנו ולהתעלם מצריכת החשמל של הבקר המארח.

מילה על רכיבה על אופניים

לא, לא מהסוג שאתה רוכב עליו! ישנם כמה מושגים טכניים המכונים "רכיבה על אופניים" ו- "רכיבה על שינה". ניתן להשתמש בשניהם להורדת צריכת החשמל אך יש הבדל בין השניים. הראשון כולל כיבוי המכשיר עד הצורך ולאחר מכן הפעלתו לזמן קצר בלבד לביצוע מדידה וכו '. למרות ששיטה זו מפתה להשתמש בשל זרם האפס שלה, יש חיסרון בה יידרשו כמה זמן פרק זמן לא טריוויאלי לאתחול ולשרוף אנרגיה תוך כדי כך.

הרעיון השני כולל רק שמירה על המכשיר במצב שינה מתוך תקווה שהוא יתעורר מהר יותר אבל אתה תשרף כמות סופית של זרם בזמן השינה. אז מה הכי טוב לשימוש?

זה תלוי באיזו תדירות אתה צריך להתעורר.

שלב 2: הפעל את המספרים

אנו רוצים למצוא את האנרגיה הכוללת (E) מנורמלת לשנייה אחת עבור כל תרחיש המפורט להלן.

מקרה א ': Tc = 1sec; בצע מדידת מרחק כל שנייה מקרה ב ': Tc = 60sec; לבצע מדידת מרחק כל דקה. מקרה ג: Tc = 3600 שניות; לבצע מדידת מרחק כל שעה.

לשם כך, אנו יכולים לומר Tc הוא זמן המחזור של המדידות שלנו, הגדל את הזמן הפעיל והגביל את הזמן הלא פעיל וארגן מחדש את נוסחאות האנרגיה שלנו כפי שמוצג כאן:

עבור tinyLiDAR, זמן ההפעלה הוא כ -300 ms או פחות ובמהלך הזמן הזה יידרשו ממוצע של 12.25mA בזמן הפעלה מהספק 2.8v מוסדר. מכאן שהיא תצרוך כ- 10.3mJ אנרגיה לכל הפעלה.

זרם השינה/השקט עבור tinyLiDAR הוא 3uA נמוך במיוחד. זה נמוך בהרבה משיעור הפריקה העצמית החודשית של 0.3% של מארז סוללות אלקליין, כך שנחקור רק בשיטת "רכיבה על שינה" כאן.

למה לא לוותר על המיקרו וללכת ישירות לחיישן VL53?

התשובה לכך אינה ברורה כל כך. בימים הראשונים של פיתוח הטלפונים החכמים למדנו שהחזקת המעבד המהיר והרעב בכוח לנגן MP3 היא שיטה בטוחה להפחתת חיי הסוללה. אפילו אז עשינו כל מאמץ להשתמש "מעבדי יישומים" בעלי צריכת חשמל נמוכה יותר לתפקידי פריפריה כמו השמעת מוזיקה. היום זה לא שונה בהרבה ולמעשה, אפשר לומר שזה עוד יותר חשוב מכיוון שאנו ממזערים את כל מכשירי ה- IoT האלה עם כל קיבולת הסוללה יורדת. אז שימוש במעבד יישומי הספק נמוך במיוחד למשימה הבלעדית של שליטה בחיישן VL53 ומתן נתונים מוכנים להמשך עיבוד הוא נכס מובהק לכל יישום המונע על סוללות.

מצבי מדידה זעירים

יתכן שזה לא ברור במדריך למשתמש בשלב זה [אך יהיה בשלב כלשהו מכיוון שתמיד אנו מעדכנים את מדריך למשתמש שלנו:)] - למעשה יש 3 מצבי מדידה שונים ב- tinyLiDAR.

מצב MC

מראשיתו של tinyLiDAR, היינו אובססיביים בניסיון להשיג מדידות מהירות יותר מחיישן VL53 ToF. אז ייעלנו את הקושחה שלנו כדי לקבל ממנה את נתוני הזרימה המהירים והעקביים ביותר. זה כלל הכנסת חוצץ. קצת חוצץ הוא דבר טוב מכיוון שהוא מאפשר לבקר המארח (כלומר ארדואינו) לקבל את נתוני המדידה שלו במהירות ולהמשיך לדברים חשובים יותר. לכן חיץ הוא הכרחי לחלוטין ובשל כך אנו יכולים להשיג קצבי הזרמה העולים על 900Hz אפילו ב- UNO Arduino האיטי יחסית. מכאן שזמן התגובה המהיר ביותר יהיה בשימוש ב- MC או במצב "רציף" של tinyLiDAR.

BTW, אם תהיה לך הזדמנות, עליך לחבר כבל טורי לפין הפלט TTY ב- tinyLiDAR ותראה מה עושה מצב MC זה. זה ממש מבצע מדידה כמה שיותר מהר ובכך הוא ממלא את מאגר ה- I2C שלה עם הנתונים העדכניים ביותר. למרבה הצער, מכיוון שהוא פועל במלוא המהירות, הוא גם שורף את הכוח המרבי. ראה להלן את גרף הנוכחי מול הזמן של מצב MC זה.

מצב SS

המצב הבא הוא מה שאנו מכנים "SS" עבור מצב "שלב אחד". זהו בעצם אותו מצב בעל ביצועים גבוהים למעלה אך בלולאת דריכה אחת במקום. כך שתוכל לקבל תגובות מהירות מ- tinyLiDAR אך הנתונים יהיו מהמדגם הקודם, כך שתצטרך לבצע שתי מדידות כדי לקבל את הנתונים העדכניים ביותר. ראה להלן את גרף הנוכחי מול הזמן של מצב SS זה.

שני המצבים לעיל התאימו יפה לחשבון עבור רוב המשתמשים מכיוון שהם היו מהירים וקלים לשימוש - פשוט הוציא פקודה "D" וקרא את התוצאות. למרות זאת …

בהתקדמות לעולם ה- IoT שבו כל מילי ג'ול נחשב, יש לנו פרדיגמה חדשה.

וזה בדיוק ההפך ממה שקיודנו ב- tinyLiDAR! עבור עולם ה- IoT אנו זקוקים למדידות בודדות במרווחי זמן נדירים על מנת לחסוך בחשמל ולהאריך את זמן הריצה.

מצב RT

לשמחתנו, כעת אנו יכולים לומר שיש לנו פתרון לתרחיש זה החל מקושחה 1.4.0. הוא נקרא מצב "RT" למדידות "בזמן אמת". וזה בעצם מיישם שיטת טריגר, המתנה וקריאה. כדי להשתמש בו, אתה עדיין יכול רק להוציא את הפקודה "D" כדי להתחיל את המדידה, אך עבור מצב RT זה עליך להמתין פרק זמן מתאים עד לסיום המדידה ולאחר מכן לקרוא את התוצאות. tinyLiDAR עובר באופן אוטומטי למצב השקט הנמוך ביותר שלו של דגימות תת 3uA בין הדוגמאות. זה בעצם עדיין פשוט לשימוש ויעיל יותר בחשמל עכשיו מכיוון שצריך לבצע מדידה אחת בלבד במקום שתיים כדי לקבל את הנתונים העדכניים ביותר, כלומר אפס מאגר.

ראה להלן את גרף הנוכחי מול הזמן של מצב RT חדש זה.

שלב 3: מדידות בפועל

השימוש במצב MC רציף למדידות IoT נדירות אינו הגיוני במיוחד מכיוון שאנו זקוקים למדידות בודדות בלבד. מכאן שנוכל למקד את תשומת הלב שלנו למצבי SS ו- RT במקום זאת. הפעלת tinyLiDAR מאספקה מוסדרת של +2.8v מספקת לנו את פיזור החשמל הנמוך ביותר. אז בעזרת ההגדרות המוגדרות מראש של דיוק גבוה (200ms), מדדנו את צריכת האנרגיה הבאה ב- tinyLiDAR:

מצב SS/שלב אחד: 31.2 mJ בממוצע על פני 2 מדידות

מצב RT/בזמן אמת: 15.5mJ בממוצע על פני מדידה אחת

חיבור הערכים הנ ל לנוסחת האנרגיה שלנו ונורמליזציה לשנייה אחת נוכל למצוא את ציפיות זמן הריצה בהנחה שהאנרגיה מחבילת הסוללות שלנו היא 36000 J.

מקרה א ': קריאה בכל שנייה (קח 2 קריאות כדי לקבל את הנתונים העדכניים ביותר) Tc = 1secTon = 210ms לקריאה x 2 קריאות Toff = Tc - טון = 580msIon (ממוצע) = 26.5mA לקריאה Ioff (ממוצע) = 3uA הנוכחי שקט Vcc = מתח אספקה 2.8V אנרגיה פעילה הנצרכת על ידי עומס בג'ול היא Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ אנרגיה לא פעילה הנצרכת מעומס בג'ול היא Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ מנרמל ל- TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ או 31.2mJ לשנייה זמן ריצה בשניות הוא אפוא האנרגיה הכוללת של המקור/האנרגיה הנצרכת שהיא 36000J / 31.2mJ = 1155000 שניות = 320 שעות = 13.3 ימים

אם נחזור על חישובים אלה, נוכל למצוא את זמן הריצה לתרחישים האחרים:

מצב SS

מקרה א ': 2 קריאות לשנייה. אנרגיה מנורמלת היא 31.2mJ. לכן זמן הריצה הוא 13.3 ימים.

מקרה ב ': 2 קריאות לדקה. אנרגיה מנורמלת היא 528uJ. לכן זמן הריצה הוא 2.1 שנים.

מקרה ג ': 2 קריאות לשעה. אנרגיה מנורמלת היא 17uJ. זמן הפעולה מחושב ל >> 10 שנים, ומכאן שהטעינה עקב tinyLiDAR זניחה. לכן סוללת הסוללה תהיה מוגבלת רק על ידי חיי המדף שלה (כלומר בערך 5 שנים)

מצב RT

מקרה א ': קריאה אחת לשנייה. אנרגיה מנורמלת היא 15.5mJ. לכן זמן הריצה הוא 26.8 ימים.

מקרה ב ': קריאה אחת לדקה. אנרגיה מנורמלת היא 267uJ. לכן זמן הריצה הוא 4.3 שנים.

מקרה ג ': קריאה אחת לשעה. אנרגיה מנורמלת היא 12.7uJ. זמן הריצה מחושב ל >> 10 שנים, ומכאן שהטעינה עקב tinyLiDAR זניחה. לכן סוללת הסוללה תהיה מוגבלת רק על ידי חיי המדף שלה (כלומר בערך 5 שנים)

מכאן שמצב הזמן החדש בזמן אמת באמצעות רכיבה על שינה הוא יתרון כאן להארכת זמן הריצה של 4 שנים אם מדידה אחת נערכת בכל דקה כפי שמוצג במקרה ב '.

שים לב שצריכת האנרגיה של הבקר המארח לא נלקחה בחשבון בניתוח זה ומפרט הסוללה היה בצד השמרני. אתה יכול למצוא סוללות הרבה יותר חזקות לפי הצורך שיתאימו לצרכים שלך.

תודה שקראתם ותישארו מעודכנים מכיוון שנספק דוגמא ל IoT עובדת באמצעות tinyLiDAR להוראה הבאה שלנו. לחיים!