IoT -д зориулсан TinyLiDAR: 3 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:05

Хэрэв та эргэн тойрноо ажиглавал маш олон ухаалаг жижиг төхөөрөмжүүдийг өдөр тутмын амьдралд ашиглаж байгааг анзаарах болно. Тэдгээр нь ихэвчлэн батерейгаар ажилладаг бөгөөд ихэвчлэн ямар нэгэн байдлаар интернетэд холбогддог ("үүл" гэж нэрлэдэг). Эдгээр нь бидний "IoT" гэж нэрлэдэг төхөөрөмжүүд бөгөөд өнөөдөр тэд дэлхий даяар түгээмэл болж байна.

IoT системийн инженерүүдийн хувьд дизайны ихээхэн хүчин чармайлт нь эрчим хүчний хэрэглээг оновчтой болгоход зориулагдсан болно. Үүний шалтгаан нь батерейны хүчин чадал хязгаарлагдмал байгаатай холбоотой юм. Алслагдсан бүс нутагт батерейг их хэмжээгээр солих нь маш үнэтэй санал байж магадгүй юм.

Тиймээс энэ заавар нь tinyLiDAR дахь хүчийг оновчтой болгох тухай юм.

TL; DR -ийн хураангуй

Бид IoT төхөөрөмжүүдийн батерейны ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлэх зорилгоор "Бодит цагийн" хэмжих шинэ горимтой (1.4.0 програм хангамжийн хувилбартай).

Батерейгаас илүү их шүүс шахаж байна

Ухаалаг байдлаар бид IoT төхөөрөмжүүдийн эрчим хүчний хэрэглээг багасгах замаар ажлын хугацааг нэмэгдүүлэх боломжтой. За, энэ бол ойлгомжтой! Гэхдээ та үүнийг хэрхэн үр дүнтэй хийж, хүлээгдэж буй ажиллах хугацааг зөв тооцоолох вэ? Үүнийг олж мэдье …

Алхам 1: Цэвэр энерги

Үүнийг хийх олон арга бий, гэхдээ бид үүнийг үндсэн зүйлд хувааж, бүх зүйлийг энерги болгон хувиргахыг илүүд үздэг. Цахилгаан энергийг Joules (J тэмдэг) -ээр хэмждэг бөгөөд тодорхойлолтоор:

Жоул бол нэг өсгөгчийн цахилгаан гүйдэл нэг ом эсэргүүцэлтэй нэг секундын турш дамжих үед дулаан хэлбэрээр ялгардаг энерги юм.

Эрчим хүч (E) нь бас хүчдэл (V) x цэнэг (Q) тул бидэнд дараахь зүйлс байна.

E = V x Q

Q нь одоогийн (I) x цаг (T):

Q = I x T

Тиймээс Joules дахь энергийг дараахь байдлаар илэрхийлж болно.

E = V x I x T

энд V нь хүчдэл, I нь Amps дахь гүйдэл, T нь секундын хугацаа юм.

Бид дөрвөн AA шүлтлэг (LR6) батерейнаас бүрдсэн батерейны багцтай гэж үзье. Энэ нь 4*1.5v = 6v -ийн нийт эхлэх хүчдэлийг бидэнд өгөх болно. Шүлтлэг АА батерейны ашиглалтын хугацаа ойролцоогоор 1.0В байдаг тул дундаж хүчдэл ойролцоогоор 1.25В байх болно. Mfr мэдээллийн хүснэгтийн дагуу "Хүргэсэн хүчин чадал нь ачаалал, ажиллах температур, таслах хүчдэлээс хамаарна." Тиймээс бид IoT төхөөрөмж гэх мэт ус зайлуулах багатай хэрэглээнд ойролцоогоор 2000 мАч буюу түүнээс дээш гэж тооцож болно.

Тиймээс бид үүнийг солихоос өмнө нэг эс тутамд 4 эс x 1.25V x 2000mAhr * 3600sec = 36000 J энерги байгаа гэж тооцоолж болно.

Илүү хялбар тооцоолохын тулд хөрвүүлэлтийн үр ашиг нь манай системийн зохицуулагчийн хувьд 100% гэж тооцож, хост хянагчийн эрчим хүчний хэрэглээг үл тоомсорлож болно.

Унадаг дугуйн тухай хэдэн үг

Үгүй ээ, таны унаж буй төрөл биш! "Цахилгаан дугуй", "Унтах дугуй унах" гэж нэрлэгддэг хэд хэдэн техникийн ойлголт байдаг. Аль алиныг нь эрчим хүчний хэрэглээг багасгахад ашиглаж болох боловч энэ хоёрын хооронд ялгаа бий. Эхнийх нь таны төхөөрөмжийг шаардлагатай болтол нь унтрааж, дараа нь хэмжилт хийх гэх мэт богино хугацаанд асаах гэх мэт боловч энэ арга нь тэг унтраах гүйдлийн улмаас ашиглахад сонирхолтой байдаг ч гэсэн сул тал бий. Үүнийг хийх явцад эрчим хүчээ нөөцлөх, шатаахад цаг хугацаа шаардагддаггүй.

Хоёрдахь ойлголт бол төхөөрөмжийг илүү хурдан сэрэх болно гэж найдаж унтах горимд байлгах явдал юм, гэхдээ та унтаж байхдаа тодорхой хэмжээний гүйдлийг шатаах болно. Тэгвэл аль алийг нь ашиглах нь дээр вэ?

Энэ нь хэр олон удаа сэрэх шаардлагатай байгаагаас хамаарна.

Алхам 2: Тоонуудыг ажиллуулна уу

Нийт энерги (E) -ийг доор жагсаасан сценари бүрт 1 секундын дотор хэвийн болгохыг хүсч байна.

А тохиолдол: Tc = 1сек; секунд тутамд зайны хэмжилт хийх Б тохиолдол: Tc = 60сек; минут тутамд зайны хэмжилт хийх. Кейс С: Tc = 3600сек; цаг тутамд зайны хэмжилт хийх.

Үүнийг хийхийн тулд Tc бол бидний хэмжих мөчлөгийн цаг, идэвхтэй цагийг идэвхгүй болгох, идэвхгүй байх хугацааг хэлж, энд үзүүлсэн энергийн томъёогоо дахин тохируулах явдал юм.

TinyLiDAR -ийн хувьд эхлэх хугацаа нь ойролцоогоор 300 мс ба түүнээс бага бөгөөд энэ хугацаанд зохицуулалттай 2.8 вольтын тэжээлээс ажиллахад дунджаар 12.25 мА шаардагдана. Тиймээс эхлүүлэх бүрт ойролцоогоор 10.3mJ эрчим хүч зарцуулах болно.

TinyLiDAR-ийн унтах/тайван гүйдэл нь хэт бага 3uA юм. Энэ нь шүлтлэг батерейны сар бүр 0.3% өөрийгөө цэнэглэх түвшингээс хамаагүй бага тул бид энд зөвхөн "унтах дугуй унах" аргыг ашиглах болно.

Яагаад бичил биетнээс татгалзаж, VL53 мэдрэгч рүү шууд очиж болохгүй гэж?

Үүний хариулт нь тийм ч тодорхой биш юм. Ухаалаг гар утас хөгжиж эхэлсэн эхний өдрүүдэд mp3 тоглуулахын тулд өндөр хурдны процессорыг өлсгөлөн байлгах нь батерейны ашиглалтын хугацааг багасгах найдвартай арга гэдгийг бид мэдсэн. Тэр үед бид хөгжим тоглох гэх мэт захын үүргийг гүйцэтгэхийн тулд бага хүчин чадалтай "програмын процессор" ашиглахын тулд бүх хүчин чармайлтаа гаргаж байсан. Өнөөдөр энэ нь огт өөр зүйл биш бөгөөд батерейны багтаамж буурах тусам эдгээр бүх IoT төхөөрөмжийг жижигрүүлж байгаа тул та үүнийг илүү чухал гэж хэлж болно. VL53 мэдрэгчийг хянах, цаашдын боловсруулалтад бэлэн өгөгдлийг хангах цорын ганц үүрэг гүйцэтгэхэд хэт бага хүчин чадалтай аппликейшн процессор ашиглах нь батерейгаар ажилладаг аливаа аппликейшны хувьд тодорхой хөрөнгө юм.

tinyLiDAR хэмжилтийн горимууд

Энэ нь хэрэглэгчийн гарын авлагад одоогоор тодорхойгүй байж магадгүй юм [гэхдээ бид хэрэглэгчийн гарын авлагаа байнга шинэчилж байдаг тул хэзээ нэгэн цагт байх болно] - tinyLiDAR -д хэмжих 3 өөр горим байдаг.

MC горим

TinyLiDAR -ийг үүсгэн байгуулагдсанаас хойш бид VL53 ToF мэдрэгчээс илүү хурдан хэмжилт хийхийг оролдож байсан. Тиймээс бид програм хангамжаа оновчтой болгож, үүнээс хамгийн хурдан, тууштай дамжуулах өгөгдлийг олж авсан. Үүнд буфер оруулах аргыг оруулсан. Бага зэрэг буфер хийх нь сайн зүйл бөгөөд энэ нь хост хянагч (өөрөөр хэлбэл Arduino) хэмжилтийн өгөгдлөө хурдан авах, илүү чухал зүйл рүү шилжих боломжийг олгодог. Тиймээс буфер хийх нь зайлшгүй шаардлагатай бөгөөд үүний ачаар бид харьцангуй удаан Arduino UNO дээр ч гэсэн 900 Гц -ээс дээш цацалтын хурдыг авах боломжтой болсон. Тиймээс хамгийн хурдан хариу өгөх хугацаа нь tinyLiDAR -ийн MC эсвэл "тасралтгүй" горимыг ашиглах болно.

BTW, хэрэв танд боломж олдвол tinyLiDAR дээрх TTY гаралтын зүү рүү цуваа кабель холбох хэрэгтэй бөгөөд энэ MC горим юу хийж байгааг харах болно. Энэ нь хэмжилтийг аль болох хурдан хийдэг бөгөөд ингэснээр I2C буферыг хамгийн сүүлийн үеийн үнэмлэхүй мэдээллээр дүүргэдэг. Харамсалтай нь, энэ нь бүрэн хурдтай ажиллаж байгаа тул хамгийн их хүчийг шатааж байна. Энэхүү MC горимын одоогийн ба цагийн графикийг доороос үзнэ үү.

SS горим

Дараагийн горим бол бидний "нэг алхам" горимын хувьд "SS" гэж нэрлэдэг зүйл юм. Энэ нь үндсэндээ дээр дурдсан өндөр гүйцэтгэлийн горим боловч оронд нь нэг алхам давталт юм. Тиймээс та tinyLiDAR -аас хурдан хариу авах боломжтой боловч өгөгдөл нь өмнөх дээжийнх байх тул хамгийн сүүлийн үеийн мэдээллийг авахын тулд хоёр хэмжилт хийх шаардлагатай болно. Энэхүү SS горимын одоогийн ба цагийн графикийг доороос үзнэ үү.

Дээрх хоёр горим хоёулаа хурдан бөгөөд ашиглахад хялбар тул ихэнх хэрэглэгчид төлбөр тооцоонд тохирсон байдаг - "D" командыг гаргаад үр дүнг нь уншаарай. Гэсэн хэдий ч…

Милли-Жоуль бүрийг үнэлдэг IoT ертөнц рүү урагшлахад бидэнд шинэ парадигм бий.

Энэ нь бидний tinyLiDAR дээр кодчилсон зүйлтэй яг эсрэг зүйл юм! IoT ертөнцийн хувьд эрчим хүчийг хэмнэх, ажиллах хугацааг уртасгахын тулд хааяа нэг удаа хэмжилт хийх шаардлагатай болдог.

RT горим

Аз болоход, бид энэ хувилбарыг 1.4.0 програмын хувилбараар шийдсэн гэж хэлж болно. Үүнийг "бодит цаг" хэмжилтийг "RT" горим гэж нэрлэдэг. Энэ нь үндсэндээ гох, хүлээх, унших аргыг хэрэгжүүлдэг. Үүнийг ашиглахын тулд та хэмжилтийг эхлүүлэхийн тулд "D" командыг өгч болно, гэхдээ энэ RT горимын хувьд хэмжилт дуусах хүртэл зохих хугацааг хүлээгээд үр дүнг нь унших хэрэгтэй. tinyLiDAR нь дээжийн хоорондох 3uA дэд хамгийн бага тайван байдалд автоматаар ордог. Хэрэглэхэд маш энгийн бөгөөд эрчим хүчний хэмнэлттэй хэвээр байгаа тул та хамгийн сүүлийн үеийн өгөгдлийг авахын тулд хоёр хэмжигдэхүүний оронд нэг хэмжилт хийх хэрэгтэй болно.

Энэхүү шинэ RT горимын одоогийн ба цагийн графикийг доороос үзнэ үү.

Алхам 3: Бодит хэмжилт

Хязгаарлагдмал IoT хэмжилт хийхэд MC тасралтгүй горимыг ашиглах нь утгагүй юм, учир нь бидэнд ганцхан хэмжилт хэрэгтэй. Тиймээс бид SS болон RT горимд анхаарлаа төвлөрүүлж чадна. TinyLiDAR -ийг +2.8V -ийн зохицуулалттай тэжээлээс ажиллуулах нь бидэнд хамгийн бага цахилгаан зарцуулалтыг өгдөг. Өндөр нарийвчлалтай (200 мс) урьдчилсан тохиргоог ашиглахдаа бид tinyLiDAR дээр дараах эрчим хүчний хэрэглээг хэмжсэн.

SS/нэг алхамтай горим: 31.2 мЖ дундажаар 2 хэмжилт хийдэг

RT/бодит цагийн горим: 15.5mJ нь дунджаар 1 хэмжилт хийдэг

Дээрх утгыг манай эрчим хүчний томъёонд оруулж, нэг секундын дотор хэвийн болгосноор бидний батерейны энерги 36000 Ж байна гэж тооцоолсон ажиллах хугацааны хүлээлтийг олж чадна.

А тохиолдол: секунд тутамд унших (хамгийн сүүлийн үеийн мэдээллийг авахын тулд 2 удаа унших) Tc = 1secTon = 210ms тутамд x 2 уншилт Toff = Tc - Ton = 580msIon (дундаж) = 26.5mA тутамд Ioff (дундаж) = 3uA тайван гүйдэл Vcc = 2.8V тэжээлийн хүчдэл Joules дахь ачаалалд зарцуулсан идэвхтэй энерги нь Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ Joules дахь ачааллын идэвхгүй энерги нь Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA байна. x 580ms = 4.872uJ TcE = (Eon + Eoff)/Tc = (31.164mJ + 4.872uJ)/1 = 31.169mJ эсвэл 31.2mJ секундэд хэвийн болгох нь секундын дотор ажилладаг эх үүсвэр/зарцуулсан нийт энерги болох 36000J байна. / 31.2mJ = 1155000 секунд = 320 цаг = 13.3 хоног

Эдгээр тооцооллыг давтан хийснээр бид бусад хувилбаруудын ажиллах хугацааг олж болно.

SS горим

А тохиолдол: Секундэд 2 уншилт. Хэвийн энерги нь 31.2mJ байна. Тиймээс ажиллах хугацаа 13.3 хоног байна.

Б тохиолдол: Нэг минутанд 2 уншилт. Хэвийн эрчим хүч 528uJ байна. Тиймээс ажлын хугацаа 2.1 жил байна.

Кейс С: Нэг цагт 2 уншилт. Хэвийн энерги нь 17uJ байна. Ажиллах хугацааг >> 10 жилээр тооцдог тул tinyLiDAR -ийн улмаас ачаалах нь ач холбогдолгүй юм. Тиймээс батерейны ашиглалтын хугацааг зөвхөн 5 жилээр хязгаарлах болно.

RT горим

А тохиолдол: 1 секундэд унших. Хэвийн энерги нь 15.5mJ байна. Тиймээс ажиллах хугацаа 26.8 хоног байна.

Б тохиолдол: 1 минутанд унших. Хэвийн энерги нь 267uJ байна. Тиймээс ажиллах хугацаа 4.3 жил байна.

Кейс С: 1 Цагт унших. Хэвийн энерги нь 12.7uJ байна. Ажиллах хугацааг >> 10 жилээр тооцдог тул tinyLiDAR -ийн улмаас ачаалах нь ач холбогдолгүй юм. Тиймээс батерейны ашиглалтын хугацааг зөвхөн 5 жилээр хязгаарлах болно.

Тиймээс, унтах мөчлөгийг ашиглах бодит цагийн шинэ горим нь В тохиолдолд үзүүлсэн шиг минут тутамд нэг хэмжилт хийвэл ажлын хугацааг 4 жилээр сунгах давуу тал болно.

Энэхүү шинжилгээнд хост хянагчийн эрчим хүчний хэрэглээг тооцоогүй бөгөөд батерейны батерейны үзүүлэлтүүд консерватив тал дээр байсан гэдгийг анхаарна уу. Та өөрийн хэрэгцээнд нийцүүлэн илүү хүчирхэг батерейг олох боломжтой.

Уншсанд баярлалаа, бид дараагийн зааварчилгаа өгөхдөө tinyLiDAR ашиглан IoT -ийн жишээг өгөх болно. Баяртай!