TinyLiDAR IoT jaoks: 3 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Kui vaatate ringi, märkate, et igapäevaelus kasutatakse palju nutikaid väikeseid seadmeid. Need on tavaliselt patareitoitega ja tavaliselt Interneti -ühendusega (teise nimega "pilv"). Neid kõiki me nimetame asjade Interneti -seadmeteks ja need on tänapäeval maailmas kiiresti muutumas tavaliseks kohaks.

IoT -süsteemi inseneride jaoks kulutatakse palju projekteerimisvaeva energiatarbimise optimeerimiseks. Selle põhjuseks on muidugi patareide piiratud mahutavus. Patareide vahetamine suurtes kogustes kaugetes piirkondades võib olla väga kallis pakkumine.

Nii et see juhend on mõeldud pisikese LiDAR -i võimsuse optimeerimiseks.

TL; DR kokkuvõte

Meil on uus reaalajas mõõtmisrežiim (püsivara 1.4.0 seisuga), mis aitab IoT -seadmete aku tööaega maksimeerida.

Patareidest rohkem mahla pressimine

Intuitiivselt saame tööaega pikendada, vähendades lihtsalt IoT -seadmete energiatarbimist. Olgu, see on ilmselge! Aga kuidas saate seda tõhusalt teha ja eeldatavat tööaega õigesti arvutada? Uurime välja…

Samm: puhas energia

Selleks on palju viise, kuid eelistame selle põhitõdedele jagada ja muuta kõik energiaks. Elektrienergiat mõõdetakse džaulides (sümbol J) ja määratluse järgi:

Joule on energia, mis hajub soojusena, kui ühe ampri elektrivool läbib ühe oomi takistuse ühe sekundi jooksul.

Kuna energia (E) on ka pinge (V) x laeng (Q), on meil:

E = V x Q

Q on praegune (I) x aeg (T):

Q = I x T

Seega saab džaulides energiat väljendada järgmiselt:

E = V x I x T

kus V on pinge, I on vool amprites ja T on aeg sekundites.

Oletame, et meil on aku, mis koosneb neljast AA -leelispatareist (LR6), mis on järjestikku ühendatud. See annab meile kogu käivituspinge 4*1,5v = 6v. AA leelispatarei eluiga on umbes 1,0 V, seega oleks keskmine pinge umbes 1,25 V. Vastavalt mfr andmelehele "Tarnitud võimsus sõltub rakendatavast koormusest, töötemperatuurist ja katkestuspingest." Seega võime eeldada umbes 2000 mAh või vähem väikese tühjenemisega rakenduste, näiteks IoT -seadmete puhul.

Seetõttu võime arvutada, et enne selle asendamist on meil 4 akut x 1,25 V elemendi kohta x 2000 mAh * 3600 sekundit = 36000 J energiat.

Lihtsamate arvutuste huvides võime eeldada, et muundamise efektiivsus on meie süsteemiregulaatori puhul 100%, ja ignoreerida hostkontrolleri energiatarvet.

Sõna jalgrattasõidust

Ei, mitte see tüüp, millega sõidad! On paar tehnilist kontseptsiooni, mida tuntakse kui "Power Cycling" ja "Sleep Cycling". Mõlemat saab kasutada energiatarbimise vähendamiseks, kuid nende kahe vahel on erinevus. Esimene hõlmab seadme väljalülitamist seni, kuni see on vajalik, ja seejärel mõõtmise tegemiseks jms lühikest aega sisse lülitamist. Kuigi see meetod on nullist väljavoolu tõttu ahvatlev kasutada, on selle puudus mitte triviaalne aeg varundamiseks ja energia põletamiseks.

Teine kontseptsioon hõlmab lihtsalt seadme unerežiimis hoidmist lootuses, et see ärkab kiiremini, kuid põletate magades teatud koguse voolu. Millist on siis kõige parem kasutada?

See sõltub sellest, kui sageli peate ärkama.

2. samm: käivitage numbrid

Soovime leida kogu energia (E), mis on normaliseeritud 1 sekundiks iga allpool loetletud stsenaariumi jaoks.

Juhtum A: Tc = 1sek; mõõtke kaugust iga sekund Juhtum B: Tc = 60sek; mõõtke vahemaad iga minuti tagant. Juhtum C: Tc = 3600sek; mõõtke kaugust iga tunni tagant.

Selleks võime öelda, et Tc on meie mõõtmiste tsükliaeg, aktiivse aja toonimine ja mitteaktiivse aja väljalülitamine ning energiavalemite ümberkorraldamine, nagu siin näidatud:

TinyLiDARi käivitumisaeg on umbes 300 ms või vähem ja selle aja jooksul kulub reguleeritud 2,8 V toiteallikast töötades keskmiselt 12,25 mA. Seega kulutab see iga käivitamisel umbes 10,3 mJ energiat.

Pisikese LiDAR-i puhke-/puhkevool on ülimadal 3uA. See on palju väiksem kui leelispatarei 0,3% igakuine isetühjenemise määr, nii et uurime siin ainult "unetsükli" meetodit.

Miks mitte loobuda mikrost ja minna otse VL53 anduri juurde?

Vastus sellele pole nii ilmne. Nutitelefonide väljatöötamise algusaegadel saime teada, et energiaga näljase kiire protsessori elus hoidmine MP3 -de esitamiseks oli kindel meetod aku kasutusaega lühendada. Juba siis tegime kõik endast oleneva, et kasutada väiksema võimsusega „rakendusprotsessoreid” äärealade ülesannete täitmiseks, näiteks muusika mängimiseks. See pole tänapäeval palju erinev ja tegelikult võib öelda, et see on veelgi olulisem, kuna minimeerime kõik need IoT -seadmed iga väheneva akuga. Seega on üliväikese energiatarbega rakendusprotsessori kasutamine ainsaks ülesandeks juhtida VL53 andurit ja pakkuda andmeid edasiseks töötlemiseks valmis, mis on iga patareitoitega rakenduse jaoks oluline vara.

tinyLiDAR mõõtmisrežiimid

Kasutusjuhendis ei pruugi see praegu selge olla [kuid see tuleb ühel hetkel, kuna me alati uuendame oma kasutusjuhendit:)] - tinyLiDARis on tegelikult 3 erinevat mõõtmisrežiimi.

MC režiim

Alates tinyLiDAR -i loomisest olime kinnisideeks püüdes saada VL53 ToF -andurilt kiiremaid mõõtmisi. Nii optimeerisime oma püsivara, et saada sealt kiireimaid ja järjepidevamaid voogesitusandmeid. See hõlmas puhverdamise sisseviimist. Väike puhverdamine on hea asi, kuna see võimaldab hostikontrolleril (st Arduino) saada oma mõõtmisandmed välkkiirelt ja liikuda edasi olulisemate asjade juurde. Seetõttu on puhverdamine hädavajalik ja tänu sellele suudame saavutada isegi 900 A -st kõrgema voogesituse kiiruse isegi suhteliselt aeglasel Arduino UNO -l. Seega on kiireim reageerimisaeg tinyLiDARi MC või "pideva" režiimi kasutamisel.

BTW, kui teil tekib võimalus, peaksite ühendama jadakaabli tinyLiDAR -i TTY -väljundpistikuga ja näete, mida see MC -režiim teeb. See võtab sõna otseses mõttes mõõtmise nii kiiresti kui võimalik ja seda tehes täidab see oma I2C puhvri värskete andmetega. Kahjuks, kuna see töötab täiskiirusel, põletab see ka maksimaalset võimsust. Selle MC -režiimi praeguse ja aja graafikut vaadake allpool.

SS -režiim

Järgmist režiimi nimetame "üheastmeliseks" režiimiks "SS". See on põhimõtteliselt sama suure jõudlusega režiim ülalpool, kuid selle asemel ühe sammuga. Nii saate tinyLiDARilt kiireid vastuseid, kuid andmed pärinevad eelmisest valimist, nii et uusimate andmete saamiseks peate tegema kaks mõõtmist. Selle SS -režiimi praeguse ja aja graafikut vaadake allpool.

Mõlemad ülaltoodud režiimid sobivad enamiku kasutajate jaoks hästi, kuna neid oli kiire ja lihtne kasutada - andke lihtsalt käsk "D" ja lugege tulemusi. Kuid …

Liikudes edasi asjade Interneti maailma, kus iga milli-Joule loeb, on meil uus paradigma.

Ja see on täpselt vastupidine sellele, mida oleme tillukesse LiDARi kodeerinud! IoT maailma jaoks vajame üksikuid mõõtmisi harva intervalliga, et säästa energiat ja pikendada tööaega.

RT režiim

Õnneks võime nüüd öelda, et meil on selle stsenaariumi jaoks lahendus püsivara 1.4.0 seisuga. Seda nimetatakse reaalajas mõõtmiseks "RT" režiimiks. Ja see rakendab põhimõtteliselt päästiku, oota ja loe meetodit. Selle kasutamiseks võite mõõtmise alustamiseks lihtsalt väljastada käsu "D", kuid selle RT -režiimi puhul peate mõõtmise lõpetamiseks ootama sobiva aja ja seejärel lugema tulemusi. tinyLiDAR läheb automaatselt oma madalaimasse vaiksesse olekusse sub 3uA proovide vahel. Seda on tegelikult endiselt lihtne kasutada ja veelgi energiasäästlikum, kuna kõige värskemate andmete saamiseks, st null puhverdamiseks, peate kahe mõõtmise asemel tegema ainult ühe mõõtmise.

Selle uue RT -režiimi praeguse ja aja graafikut vaadake allpool.

3. samm: tegelikud mõõtmised

MC pideva režiimi kasutamine harvade IoT mõõtmiste jaoks pole mõttekas, kuna vajame ainult üksikuid mõõtmisi. Seega võime keskenduda selle asemel SS- ja RT -režiimidele. Kasutades tinyLiDAR -i +2,8 V reguleeritud toiteallikast, tagab see väikseima energiatarbimise. Nii et kõrge täpsusega (200 ms) eelseadistuste kasutamisel mõõtsime tinyLiDAR -il järgmist energiatarbimist:

SS/üheastmeline režiim: 31,2 mJ keskmiselt kahe mõõtmise ajal

RT/reaalajas režiim: 15,5 mJ keskmiselt ühe mõõtmise kohta

Ühendades need ülaltoodud väärtused meie energiavalemiga ja normaliseerides ühe sekundi, leiame tööaja ootused, eeldades, et meie aku energia on 36000 J.

Juhtum A: lugemine iga sekund (viimaste andmete saamiseks võtke 2 lugemist) Tc = 1sekTon = 210 ms lugemise kohta x 2 näitu 2,8 V toitepinge Koormuse poolt tarbitud aktiivne energia džaulides on Eon = Vcc x Ion x Ton = 2,8 V x 26,5 mA * 420 ms = 31,164 mJ Džoulides koormuse poolt tarbitav mitteaktiivne energia on Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2,8 V x 3uA x 580 ms = 4,872uJ Normaliseerimine TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31,164 mJ + 4,872uJ)/1 = 31,169 mJ või 31,2 mJ sekundis Tööaeg sekundites on seega allika/tarbitud energia koguenergia, mis on 36000J / 31,2 mJ = 1155000 sekundit = 320 tundi = 13,3 päeva

Neid arvutusi korrates leiame teiste stsenaariumide käitusajad:

SS -režiim

Juhtum A: 2 näitu sekundis. Normaliseeritud energia on 31,2 mJ. Seetõttu on tööaeg 13,3 päeva.

Juhtum B: 2 näitu minutis. Normaliseeritud energia on 528uJ. Seetõttu on tööaeg 2,1 aastat.

Juhtum C: 2 näitu tunnis. Normaliseeritud energia on 17uJ. Tööaeg arvutatakse >> 10 aastat, seega on tillukese LiDAR -i tõttu laadimine tühine. Seetõttu piirab akut ainult selle säilivusaeg (st umbes 5 aastat)

RT režiim

Juhtum A: 1 lugemine sekundis. Normaliseeritud energia on 15,5 mJ. Seetõttu on tööaeg 26,8 päeva.

Juhtum B: 1 lugemine minutis. Normaliseeritud energia on 267uJ. Seetõttu on tööaeg 4,3 aastat.

Juhtum C: 1 lugemine tunnis. Normaliseeritud energia on 12,7uJ. Tööaeg arvutatakse >> 10 aastat, seega on tillukese LiDAR -i tõttu laadimine tühine. Seetõttu piirab akut ainult selle säilivusaeg (st umbes 5 aastat)

Seega on uus unerežiimi kasutav reaalajarežiim siin kasulik, et pikendada tööaega viimase 4 aasta jooksul, kui iga minuti järel tehakse üks mõõtmine, nagu on näidatud juhtumil B.

Pange tähele, et selle analüüsi jaoks ei võetud arvesse hostikontrolleri energiatarbimist ja aku spetsifikatsioonid olid konservatiivsel poolel. Soovi korral leiate palju võimsamaid patareisid, mis vastavad teie vajadustele.

Täname lugemise eest ja olge kursis, kuna pakume toimiva IoT näite, kasutades tinyLiDAR -i meie järgmise juhendi jaoks. Tervist!