Оптимизация энергопотребления в lora-at

При начале работы по оптимизации энергопотребления LoRa, я даже не представлял, насколько глубокой может быть эта тема. В предыдущих частях я рассказывал о:

В этот раз возникла идея оптимизации цикла глубокого сна. Если кратко, то работа в режиме глубокого сна выглядит следующим образом:

  1. Если приложение не активно в течение определенного времени, то
  2. Перейти в режим глубокого сна на определенное время
  3. Через определенный интервал времени ESP32 просыпается
  4. Выполняет полезную работу и возвращается к шагу 2

Шаги с второго по четвертый образуют цикл глубокого сна. Обычно время выполнения полезной работы значительно меньше времени, в течение которого устройство находится в режиме сна. Однако энергопотребление в этот период существенно выше, и именно этот интервал требовал оптимизации.

Загрузка ESP32

Оказалось, что ESP32 не сразу передает управление пользовательской программе. Просмотр логов показал:

I (29) boot: ESP-IDF v5.1-dev-2633-g8464186e67-dirty 2nd stage bootloader
I (29) boot: compile time Dec  5 2023 20:47:42
...
I (552) main_task: Calling app_main()

До запуска программы проходит 552 миллисекунды! Даже если программа оптимизирована и выполняется за 1-2 миллисекунды, это ничтожно мало по сравнению с временем загрузки микроконтроллера.

Активный режим работы lora-at до всех оптимизаций выглядел так:

Оптимизации

Первую оптимизацию я неосознанно сделал еще при переписывании на С. Bootloader проверяет программу на целостность и загружает ее в память. Чем меньше программа, тем быстрее загрузка.

Далее я решил обратиться к интернету за дополнительными идеями. В этот раз повезло: в официальной документации есть глава, посвященная оптимизации программ. Вот список того, что мне пригодилось:

  • Отключение проверки целостности программы при выходе из режима глубокого сна. Можно отключить полностью, но я не стал, так как lora-at может работать по проводу, где потребление энергии не так критично.
  • Использование Quad I/O на скорости 80 МГц при загрузке прошивки в память (необходимо проверить поддержку конкретной платы в datasheet)
  • Включение оптимизаций на уровне GCC компилятора: -O2
  • Логирование только ошибок (ERROR) при загрузке bootloader
  • Логирование только предупреждений (WARN) во время работы прошивки, с возможностью ручной установки уровня INFO в случае подключения к батарее и солнечным панелям

После всех оптимизаций режим работы выглядит так:

Время работы сократилось с 608мс до 67мс, а потребляемый заряд с 27.20мКл до 3.06мКл - более чем в 8 раз!

Вполне достойный результат. Но как изменится потребление если увеличить частоту чипа с 80Мгц до 240Мгц? БОльшая частота - это бОльшее потребление энергии, но при этом и бОльшая скорость работы.

Ого! Оказывается работа на частоте 240 МГц оказалась более выгодной, чем на 80 МГц: 2.51 мКл против 3.06 мКл.

Продолжение следует

Эти оптимизации применены для цикла глубокого сна, где lora-at переходит в спящий режим каждые 5 секунд. В реальности программа должна инициализировать bluetooth, получать время следующего наблюдения и входить в спящий режим. У меня есть два алгоритма:

  1. Переход в спящий режим до следующего наблюдения
  2. Переход в спящий режим на фиксированное время

Во втором случае можно отправлять на RaspberryPI информацию о состоянии батареи и/или солнечной панели. Это поможет лучше понимать условия работы, но при этом будет тратиться дополнительная энергия. Надо провести измерения.