TinyLiDAR لإنترنت الأشياء: 3 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

إذا نظرت حولك ، ستلاحظ استخدام الكثير من الأجهزة الصغيرة الذكية في الحياة اليومية. عادة ما يتم تشغيلها بالبطارية وعادة ما تكون متصلة بالإنترنت (المعروفة أيضًا باسم "السحابة") بطريقة ما. هذه هي كل ما نسميه أجهزة "إنترنت الأشياء" وأصبحت سريعًا مكانًا شائعًا في العالم اليوم.

بالنسبة لمهندسي نظام إنترنت الأشياء ، يتم إنفاق الكثير من جهود التصميم على تحسين استهلاك الطاقة. ويرجع السبب في ذلك بالطبع إلى السعة المحدودة المتوفرة في البطاريات. قد يكون تغيير البطاريات بكميات كبيرة في المناطق النائية اقتراحًا مكلفًا للغاية.

لذلك فإن هذا التوجيه يدور حول تحسين الطاقة في tinyLiDAR.

TL ؛ ملخص DR

لدينا وضع قياس "الوقت الحقيقي" الجديد (بدءًا من البرنامج الثابت 1.4.0) للمساعدة في زيادة وقت تشغيل البطارية في أجهزة إنترنت الأشياء.

عصر المزيد من العصير من البطاريات

حدسيًا ، يمكننا زيادة وقت التشغيل ببساطة عن طريق تقليل استهلاك الطاقة لأجهزة إنترنت الأشياء. حسنًا ، هذا واضح! ولكن كيف يمكنك القيام بذلك بشكل فعال وصحيح لحساب وقت التشغيل المتوقع؟ هيا نكتشف…

الخطوة الأولى: الطاقة النقية

هناك العديد من الطرق للقيام بذلك ولكننا نفضل تقسيمها إلى الأساسيات وتحويل كل شيء إلى طاقة. تُقاس الطاقة الكهربائية بالجول (الرمز J) وبالتعريف:

الجول هو الطاقة المشتتة كحرارة عندما يمر تيار كهربائي من أمبير واحد عبر مقاومة مقدارها أوم واحد لمدة ثانية واحدة.

نظرًا لأن الطاقة (E) هي أيضًا جهد (V) x شحنة (Q) ، فلدينا:

E = V x Q

Q هو الوقت الحالي (I) × الوقت (T):

س = أنا س ت

لذلك يمكن التعبير عن الطاقة في الجول على النحو التالي:

E = V x I x T

حيث V هو الجهد ، وأنا هو التيار في Amps و T هو الوقت بالثواني.

لنفترض أن لدينا حزمة بطارية مكونة من أربع بطاريات قلوية AA (LR6) متصلة في سلسلة. سيعطينا هذا جهد بدء إجمالي قدره 4 * 1.5 فولت = 6 فولت. نهاية العمر الافتراضي لبطارية AA القلوية هي 1.0 فولت تقريبًا ، لذا فإن متوسط الجهد سيكون حوالي 1.25 فولت. وفقًا لورقة بيانات mfr ، "تعتمد السعة المسلمة على الحمل المطبق ودرجة حرارة التشغيل والجهد المقطوع." لذلك يمكننا أن نفترض حوالي 2000 مللي أمبير في الساعة أو أفضل لتطبيق منخفض الاستنزاف مثل جهاز إنترنت الأشياء.

لذلك يمكننا حساب أن لدينا 4 خلايا × 1.25 فولت لكل خلية × 2000 مللي أمبير / ساعة * 3600 ثانية = 36000 جول من الطاقة المتاحة من حزمة البطارية هذه قبل أن يتم استبدالها.

من أجل عمليات حسابية أبسط ، يمكننا أيضًا افتراض أن كفاءة التحويل هي 100٪ لمنظم النظام لدينا وتجاهل استهلاك طاقة جهاز التحكم المضيف.

كلمة عن ركوب الدراجات

لا ، ليس من النوع الذي تركب عليه! هناك نوعان من المفاهيم التقنية المعروفة باسم "ركوب الدراجات الهوائية" و "ركوب الدراجات أثناء النوم". يمكن استخدام كلاهما لخفض استهلاك الطاقة ولكن هناك فرق بينهما. تتضمن الطريقة الأولى إيقاف تشغيل جهازك لحين الحاجة إليه ثم تشغيله لفترة قصيرة فقط لإجراء القياس وما إلى ذلك. على الرغم من أن هذه الطريقة مغرية للاستخدام نظرًا لتيارها الصفري ، إلا أن هناك عيبًا حيث ستستغرق بعض الوقت مقدار الوقت غير التافه لإعادة التمهيد وحرق الطاقة أثناء القيام بذلك.

يتضمن المفهوم الثاني إبقاء الجهاز في وضع السكون مع الآمال بأن يستيقظ بشكل أسرع ولكنك ستحرق قدرًا محدودًا من التيار أثناء نومه. إذن ما هو الأفضل للاستخدام؟

يعتمد ذلك على عدد المرات التي تحتاج فيها إلى الاستيقاظ.

الخطوة الثانية: تشغيل الأرقام

نريد العثور على إجمالي الطاقة (E) مقيمًا إلى ثانية واحدة لكل مشهد مدرج أدناه.

الحالة أ: ح = 1 ثانية ؛ خذ قياس المسافة كل ثانية الحالة B: Tc = 60sec ؛ خذ قياس المسافة كل دقيقة. الحالة ج: ح = 3600 ثانية ؛ خذ قياس المسافة كل ساعة.

للقيام بذلك ، يمكننا القول أن Tc هو وقت الدورة لقياساتنا ، والوقت النشط والوقت غير النشط وإعادة ترتيب صيغ الطاقة لدينا كما هو موضح هنا:

بالنسبة لـ tinyLiDAR ، يبلغ وقت البدء حوالي 300 مللي ثانية أو أقل وخلال هذا الوقت سيستغرق متوسط 12.25 مللي أمبير أثناء التشغيل من مصدر منظم 2.8 فولت. ومن ثم فإنه سيستهلك ما يقرب من 10.3mJ من الطاقة لكل شركة ناشئة.

إن تيار النوم / الهادئ لـ tinyLiDAR هو 3uA منخفض للغاية. هذا أقل بكثير من معدل التفريغ الذاتي الشهري البالغ 0.3٪ لحزمة البطارية القلوية ، لذلك سنحقق في استخدام طريقة "دورة النوم" هنا فقط.

لماذا لا تستغني عن الميكرو وتذهب مباشرة إلى حساس VL53؟

الجواب على هذا ليس واضحا تماما. في الأيام الأولى لتطوير الهواتف الذكية ، تعلمنا أن الحفاظ على المعالج عالي السرعة المتعطش للطاقة على قيد الحياة لتشغيل ملفات mp3 كان طريقة مؤكدة لتقليل عمر البطارية. حتى في ذلك الوقت ، بذلنا كل جهد ممكن لاستخدام "معالجات تطبيقات" ذات طاقة أقل لأداء مهام محيطية مثل تشغيل الموسيقى. لا يختلف الأمر كثيرًا اليوم وفي الواقع ، يمكنك القول إن الأمر أكثر أهمية لأننا نصغر جميع أجهزة إنترنت الأشياء هذه مع كل سعة بطارية متناقصة. لذا فإن استخدام معالج تطبيق منخفض الطاقة للغاية للمهمة الوحيدة المتمثلة في التحكم في مستشعر VL53 وتوفير بيانات جاهزة لمزيد من المعالجة يعد أصلًا محددًا لأي تطبيق يعمل بالبطارية.

أوضاع قياس tinyLiDAR

قد لا يكون الأمر واضحًا في دليل المستخدم في هذا الوقت [ولكنه سيكون في مرحلة ما لأننا نقوم دائمًا بتحديث دليل المستخدم الخاص بنا:)] - توجد بالفعل 3 أوضاع قياس مختلفة في برنامج tinyLiDAR.

وضع MC

منذ بداية برنامج tinyLiDAR ، كنا مهووسين بمحاولة الحصول على قياسات أسرع من مستشعر VL53 ToF. لذلك قمنا بتحسين البرامج الثابتة الخاصة بنا للحصول على البيانات المتدفقة الأسرع والأكثر تناسقًا منها. هذا ينطوي على إدخال التخزين المؤقت. يعد التخزين المؤقت قليلاً أمرًا جيدًا لأنه يسمح لوحدة التحكم المضيفة (مثل Arduino) بالحصول على بيانات القياس الخاصة بها في لمح البصر والانتقال إلى أشياء أكثر أهمية. لذلك فإن التخزين المؤقت ضروري للغاية ونتيجة لذلك يمكننا تحقيق معدلات تدفق تزيد عن 900 هرتز حتى على Arduino UNO البطيء نسبيًا. ومن ثم ، فإن أسرع وقت استجابة سيكون في استخدام MC الصغيرة أو الوضع "المستمر".

راجع للشغل ، إذا سنحت لك فرصة ، يجب عليك توصيل كبل تسلسلي بدبوس إخراج TTY على tinyLiDAR وسترى ما يفعله وضع MC هذا. إنه يأخذ قياسًا حرفيًا بأسرع ما يمكن وبفعل ذلك ، فإنه يملأ المخزن المؤقت I2C بأحدث البيانات المطلقة. لسوء الحظ ، نظرًا لأنه يعمل بأقصى سرعة ، فإنه يحرق أيضًا أقصى قدر من الطاقة. انظر أدناه للحصول على الرسم البياني الحالي مقابل الوقت لوضع MC هذا.

وضع SS

الوضع التالي هو ما نسميه "SS" لوضع "الخطوة الواحدة". هذا هو في الأساس نفس وضع الأداء العالي أعلاه ولكن في حلقة واحدة بدلاً من ذلك. لذلك يمكنك الحصول على استجابات سريعة من tinyLiDAR ولكن البيانات ستكون من العينة السابقة ، لذا سيتعين عليك إجراء قياسين للحصول على أحدث البيانات. انظر أدناه للحصول على الرسم البياني الحالي مقابل الوقت لوضع SS هذا.

كلا الوضعين المذكورين أعلاه يتناسبان مع الفاتورة بشكل جيد لمعظم المستخدمين نظرًا لأنهم كانوا سريعًا وسهل الاستخدام - فقط قم بإصدار أمر "D" وقراءة النتائج. لكن …

بالانتقال إلى عالم إنترنت الأشياء حيث لكل ملي جول أهمية ، لدينا نموذج جديد.

وهو عكس تمامًا ما قمنا بتشفيره في برنامج tinyLiDAR! بالنسبة لعالم إنترنت الأشياء ، نحتاج إلى قياسات فردية على فترات غير متكررة من أجل الحفاظ على الطاقة وإطالة وقت التشغيل.

وضع RT

لحسن الحظ ، يمكننا الآن أن نقول أن لدينا حلًا لهذا السيناريو بدءًا من البرنامج الثابت 1.4.0. يطلق عليه وضع "RT" لقياسات "الوقت الحقيقي". وهو ينفذ بشكل أساسي طريقة الزناد والانتظار والقراءة. لاستخدامه ، لا يزال بإمكانك فقط إصدار الأمر "D" لبدء القياس ، ولكن بالنسبة لوضع RT هذا ، يجب عليك الانتظار قدرًا مناسبًا من الوقت حتى ينتهي القياس ثم قراءة النتائج. ينتقل برنامج tinyLiDAR تلقائيًا إلى أدنى حالاته الهادئة لـ sub 3uA في الفترات الفاصلة بين العينات. لا يزال في الواقع سهل الاستخدام وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة الآن نظرًا لأنه لا يتعين عليك سوى إجراء قياس واحد بدلاً من قياسين للحصول على أحدث البيانات ، أي عدم وجود تخزين مؤقت.

انظر أدناه للحصول على الرسم البياني الحالي مقابل الوقت لوضع RT الجديد هذا.

الخطوة 3: القياسات الفعلية

إن استخدام الوضع المستمر MC لقياسات إنترنت الأشياء غير المتكررة ليس منطقيًا لأننا نحتاج فقط إلى قياسات فردية. ومن ثم يمكننا تركيز انتباهنا على وضعي SS و RT بدلاً من ذلك. إن تشغيل برنامج tinyLiDAR من مصدر منظم يبلغ + 2.8 فولت يوفر لنا أقل تبديد للطاقة. لذلك باستخدام الإعدادات المسبقة عالية الدقة (200 مللي ثانية) ، قمنا بقياس استهلاك الطاقة التالي على tinyLiDAR:

وضع SS / خطوة واحدة: متوسط 31.2 مللي جول على قياسين

وضع RT / الوقت الحقيقي: متوسط 15.5 مللي جول على قياس واحد

بتوصيل هذه القيم المذكورة أعلاه في صيغة الطاقة الخاصة بنا والتطبيع لثانية واحدة ، يمكننا العثور على توقعات وقت التشغيل على افتراض أن الطاقة من حزمة البطارية لدينا هي 36000 ج.

الحالة أ: قراءة كل ثانية (خذ قراءتين للحصول على أحدث البيانات) Tc = 1secTon = 210 مللي ثانية لكل قراءة × قراءتان Toff = Tc - Ton = 580msIon (متوسط) = 26.5mA لكل قراءة Ioff (متوسط) = 3uA تيار هادئ Vcc = جهد إمداد 2.8 فولت الطاقة النشطة المستهلكة بالحمل بالجول هي Eon = Vcc x Ion x Ton = 2.8V x 26.5mA * 420ms = 31.164mJ الطاقة غير النشطة المستهلكة بالحمل بالجول هي Eoff = Vcc x Ioff x Toff = 2.8V x 3uA x 580ms = 4.872uJ التطبيع إلى TcE = (Eon + Eoff) / Tc = (31.164mJ + 4.872uJ) / 1 = 31.169mJ أو 31.2mJ في الثانية وقت التشغيل بالثواني وبالتالي فإن إجمالي طاقة المصدر / الطاقة المستهلكة وهي 36000J / 31.2 مللي جول = 1155000 ثانية = 320 ساعة = 13.3 يومًا

بتكرار هذه الحسابات ، يمكننا إيجاد أوقات تشغيل السيناريوهات الأخرى:

وضع SS

الحالة أ: قراءتان في الثانية. الطاقة الطبيعية 31.2 مللي جول. لذلك يكون وقت التشغيل 13.3 يومًا.

الحالة ب: قراءتان في الدقيقة. الطاقة الطبيعية هي 528uJ. لذلك وقت التشغيل 2.1 سنة.

الحالة ج: قراءتان في الساعة. الطاقة الطبيعية 17uJ. يتم حساب وقت التشغيل عند >> 10 سنوات ، وبالتالي فإن التحميل بسبب tinyLiDAR لا يكاد يذكر. لذلك ، سيتم تقييد حزمة البطارية فقط من خلال عمرها الافتراضي (أي حوالي 5 سنوات)

وضع RT

الحالة أ: قراءة واحدة في الثانية. الطاقة الطبيعية هي 15.5mJ. لذلك فإن وقت التشغيل هو 26.8 يومًا.

الحالة ب: قراءة واحدة في الدقيقة. الطاقة الطبيعية 267uJ. لذلك فإن وقت التشغيل هو 4.3 سنوات.

الحالة ج: قراءة واحدة في الساعة. الطاقة الطبيعية هي 12.7uJ. يتم حساب وقت التشغيل عند >> 10 سنوات ، وبالتالي فإن التحميل بسبب tinyLiDAR لا يكاد يذكر. لذلك ، سيتم تقييد حزمة البطارية فقط من خلال عمرها الافتراضي (أي حوالي 5 سنوات)

ومن ثم ، فإن وضع الوقت الحقيقي الجديد الذي يستخدم ركوب الدراجات أثناء النوم يعد ميزة هنا لتمديد وقت التشغيل إلى ما بعد 4 سنوات إذا تم أخذ قياس واحد كل دقيقة كما هو موضح في الحالة ب.

لاحظ أن استهلاك الطاقة لوحدة تحكم المضيف لم يؤخذ في الاعتبار لهذا التحليل وأن مواصفات حزمة البطارية كانت في الجانب المحافظ. يمكنك العثور على بطاريات أكثر قوة حسب الرغبة لتناسب احتياجاتك.

نشكرك على القراءة وابق على اتصال حيث سنقدم مثالًا عمليًا لإنترنت الأشياء باستخدام tinyLiDAR لتعليماتنا التالية. هتافات!