Оптимизация энергопотребления LoRa • dernasherbrezon

Последние несколько месяцев я работаю над уменьшением энергопотребления в проекте lora-at. Идея заключается в том, чтобы сделать энергонезависимый приёмник, положить его на балконе и 24/7 принимать сигналы со спутников. Легче сказать, чем сделать. Особенно для того, кто никогда не оптимизировал код по низкое энергопотребление и не проектировал электрические цепи. Конечно, можно поставить самую большую солнечную панель, принимать сигналы только днём и не заморачиваться. Но мне такой подход показался недостойным звания инженера, поэтому я принял вызов и принялся проектировать.

Общая схема

Прежде чем оптимизировать энергопотребление, необходимо понять электрическую схему работы и алгоритм программы.

Принцип работы достаточно простой:

Солнечная панель 6В подключается к специальному контроллеру
Этот контроллер должен делать следующее:
- заряжать батарею
- следить за напряжением зарядки и уровнем разрядки батареи
- отключать батарею от нагрузки при сильной разрядке
- следить за током потребления с солнечной панели (MPTT)
Li-ion батарея должна работать ночью, когда солнца нет и панель не вырабатывает достаточно энергии.
ESP32 плата с приёмником LoRa
(Опционально) делитель напряжения для мониторинга заряда батареи.

Поскольку схема достаточно стандартная, то в интернете можно найти множество разлиичных гидов и описаний.

Алгоритм работы программы

С программной частью дела на такие радужные и что-то сложнее, чем “hello world” найти очень сложно. Основным и единственным способом уменьшить энергопотребление - это переход процессора в режим глубокого сна (deep sleep). При этом отключается большинство модулей процессора и энергопотребление минимально - 10 микроампер.

При этом обычная линейная программа в таком режиме полностью меняется. Я пришёл к следующему алгоритму:

Во-первых, мне нужно, чтобы прошивка поддерживала как работу в режиме глубокого сна, так и через AT команды. Они крайне удобны для отладки. Однако, в режиме глубокого сна последовательная шина недоступна. Чтобы это обойти я создал специальный таймер неактивности. Если в течении некоторого времени нет команд, то процессор переходит в режим глубокого сна. В этом режиме он периодически просыпается, получает по bluetooth время следующего наблюдения и уходит в спячку. Поскольку цикл бодрствования достаточно короткий, то успеть послать AT команду практически нереально. Чтобы послать AT команду устройству в режиме глубокого сна, нужно подойти и перезагрузить ESP32 вручную. Это немного неудобно, но с этим можно жить во время отладки. Либо на время отключить режим глубокого сна.

Во-вторых, используется bluetooth для связи с RaspberryPI. Этот протокол не самый энергоэффективный и логичнее было бы использовать тот же LoRa, чтобы отправлять данные. Но, к сожалению, в RaspberryPI нет модуля LoRa. А отдельный стоит достаточно дорого. Хорошая новость заключается в том, что и ESP32 и RaspberryPI поддерживают энергоэффективную версию bluetooth - bluetooth low energy (BLE), которую логично использовать. Интеграция по bluetooth заслуживает отдельную статью.

Измерение энергопотребления

В этот момент меня настигли вайбы лабораторных работ по физике в университете. За одним исключением - на этот раз мне действительно интересно узнать физику процесса. Для измерений я использовал USB тестер A3-B, который обозревал в одной из предыдущих статей. Результаты получились следующие:

в режиме глубокого сна - 6 мА
в режиме приёма сигнала - 86 мА

В среднем за день все спутники с LoRa передатчиком пролетают за 313 минут. Тогда всё остальное время глубокого сна будет 1127 минут. Итого:

323 мин * 86 мА + 1127 мин * 6 мА = 575.66 мАч

Или в пересчёте на мощность:

575.66 мАч * 3.3 В = 1.8997 Втч

1.8997 Втч потребления за сутки. Не очень понятно - это много или мало. Чтобы это понять, надо оценить теоретическую мощность, которую можно получить от солнечных панелей.

Теоретическая мощность

В этом видео очень хорошо объяснено, как посчитать теоретическую мощность от солнечных панелей. В моём случае входные параметры следующие:

город - Лондон
солнечная панель 6В 1Вт площадью 11см * 6см. Да, я взял самую маленькую солнечную панель на 6В. Зато 3 штуки по скидке.
условная эффективность таких панелей - 15%
эффективность контроллера и понижения напряжения будем считать ещё 5%
направление панели - строго вверх
месяц - декабрь. Самый пасмурный месяц в году с минимальной продолжительностью солнечного дня.

Итого:

600 Втч/м2 * (15% - 5%) = 60 Втч/м2 = 0.006 Втч/см2

В пересчёта на мою солнечную панель:

0.006 Втч/см2 * (11см * 6см) = 0.396 Втч

Расчёты крайне усреднённые и в один солнечный день может быть в два раза больше энергии, а в другой день - в два раза меньше. Тем не менее получается, что моей солнечной панели не хватит ( 0.396 Втч < 1.8997 Втч ).

Раз на целый день не хватит, то может быть на чуть-чуть хватит? Для этого я открыл вот этот сайт посмотреть сколько теоретически я могу получить энергии с разбивкой по часам.

Итак, в 12 дня я смогу получить 221 Втч/м2.

221 Втч/м2 * (15% - 5%) = 22.1 Втч/м2 = 0.00221 Втч/см2 * (11см * 6см) = 0.14586 Втч

А среднее потребление ESP32:

1.8997 Втч / 24 = 0.07915 Втч

Получается, что энергии будет хватать. Таким образом вся станция будет запускаться часов в 11-12, работать от силы час или два и выключаться до следующего дня. Батарея при этом будет постоянно находится в разряженном состоянии и лишь немного заряжаться на 0.06671 Вт, чтобы потом опять разрядится.

Оптимизация энергопотребления

Самые очевидные способы, которые приходят в голову без google:

подключить ещё одну маленькую панель. 0.396 Втч * 2 = 0.792Втч - тоже не ахти.
переехать в Дубай
уменьшить количество наблюдений спутников
оптимизировать код

Третий и четвёртый пункты выглядят очень заманчиво. Итак, если оставить только одно наблюдение в день:

10 мин * 86 мА + 1430 мин * 6 мА = 860 мАмин + 8580 мАмин = 157.33 мАч * 3.3В = 519.2 Втч

То есть даже для одно наблюдения в день одной солнечной панели будет недостаточно. Нужно как минимум две.

Пришло время оптимизировать код.

Оптимизация кода

В таблице ниже я собрал все техники, которые смог найти в интернете.

Метод	Потребление
По-умолчанию пустой проект	70мА
Включённый LoRa приёмник	86мА
Пустой проект с пониженной частотой - 80Мгц Минимальная частота для работы bluetooth	30мА
Включённый LoRa приёмник с пониженной частотой ESP32	46мА
Глубокий сон	6мА
Использовать питание через JST коннектор, а не 5В USB	Видимо токи маленькие и померить мультиметром не получится
Включённый LoRa приёмник с ESP32 в глубоком сне	16мА

Итак, самый интересный метод - последний. Я случайно наткнулся на него в этой статье. Дело в том, что ESP32 может выходить из глубокого сна с помощью нескольких способов - по таймеру, по изменению напряжения на внешнем пине, либо по прерыванию. При этом, когда приёмник LoRa получает сообщение, он тоже генерирует прерывание! Алгоритм работы в таком случае следующий:

Соответствующая конфигурация:

pinMode(RST, INPUT_PULLUP);
esp_sleep_enable_ext0_wakeup((gpio_num_t)DIO0, RISING);

Приёмник LoRa продолжит работать, даже если ESP32 уходит в спящий режим. Потребление в активном режиме сократится с 86мА до 16мА - больше, чем в 5 раз!

323 мин * 16 мА + 1127 мин * 6 мА = 5168 мАмин + 6762 мАмин =
= 198.83 мАч * 3.3В = 656.15 Втч

Двух маленьких панелей будет достаточно, чтобы принять все пролетающие спутники.

К сожалению, ни одна из существующих библиотек не позволяет прочитать сообщение из LoRa после выхода из сна. Мне пришлось взять arduino-LoRa и модифицировать её.

Послесловие

А потом я вышел на балкон и понял, что он выходит на север…