Спящие режимы в Arduino и как их использовать для экономии энергии

Потребляемая мощность является одним из ключевых аспектов функционирования непрерывно функционирующих устройств. Для решения этой проблемы практически все современные микроконтроллеры имеют спящий режим, что позволяет разработчикам проектировать различные электронные гаджеты с оптимальным потреблением энергии. Спящий режим переводит устройство в режим энергосбережения при помощи выключения неиспользуемых модулей.

Энергопотребление нашего проекта в спящем режиме

В данной статье мы рассмотрим спящие режимы платы Arduino и продемонстрируем уменьшение потребления энергии в них с помощью амперметра. В англоязычной литературе для спящих режимов Arduino (Arduino Sleep mode) используют также термины Arduino Power Save mode (режим энергосбережения) и Arduino Standby Mode (режим ожидания).

Энергопотребление нашего проекта в обычном режиме

Спящие режимы в Arduino

Спящие режимы позволяют пользователю остановить или выключить неиспользуемые модули, что может значительно уменьшить потребление энергии. Платы Arduino Uno, Arduino Nano и Pro-mini построены на основе микроконтроллера ATmega328P, который имеет в своем составе специальный детектор для мониторинга питающего напряжения во время спящего режима.

Всего в микроконтроллере ATmega328P есть шесть спящих режимов, показанных в следующей таблице.

Краткая характеристика спящих режимов в Arduino

Для задействования любого из этих спящих режимов нам необходимо установить бит спящего режима (sleep bit) в регистре управления спящим режимом (Sleep Mode Control Register - SMCR.SE). Доступны такие спящие режимы как Idle, ADC noise reduction, Power-Down, Power-Save, Standby и External Standby. Далее рассмотрим их более подробно.

Вывести плату Arduino из спящего режима могут внутренние или внешние прерывания, а также нажатие на кнопку сброса (Reset).

Idle Mode (холостой режим)

Для перевода платы Arduino в данный режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘000’. В этом режиме останавливает свою работу CPU (центральный процессор), однако интерфейсы SPI, TWI, USART, сторожевой таймер (Watchdog), счетчики (таймеры) и аналоговый компаратор продолжают работать. Режим Idle, в основном, останавливает CLKCPU и CLKFLASH. Плату Arduino можно вывести из этого режима с помощью внешнего или внутреннего прерывания.

Команда для Arduino на перевод ее в режим Idle выглядит следующим образом:

В сети можно скачать специальную библиотеку для установки различных спящих режимов в плате Arduino. Скачайте ее по приведенной ссылке и установите ее в Arduino IDE. Используйте приведенную команду чтобы перевести плату Arduino в режим Idle. По этой команде плата Arduino перейдет в спящий режим Idle на 8 секунд и потом выйдет из него (проснется) автоматически. Как видите, с помощью приведенной команды мы также выключаем все таймеры, интерфейсы SPI, USART и TWI.

ADC Noise Reduction Mode (режим АЦП и уменьшения шума)

Для перевода платы Arduino в данный спящий режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘001’. Этот режим останавливает CPU, но позволяет функционировать АЦП (аналого-цифровым преобразователям), внешним прерываниям, интерфейсам USART и TWI, сторожевому таймеру и счетчикам. Данный режим останавливает, в основном, CLKCPU, CLKI/O и CLKFLASH. Мы можем вывести плату Arduino из этого режима с помощью:

  • внешнего сброса (Reset);
  • сброс системы от сторожевого таймера;
  • прерывание от сторожевого таймера;
  • сброс с помощью пониженного напряжения;
  • внешнее прерывание;
  • прерывание смены контакта;
  • прерывание от таймера/счетчика;
  • прерывание от SPM/EEPROM.

Power-Down Mode (режим пониженного энергопотребления)

Этот режим останавливает все часы платы и разрешает функционирование только асинхронным модулям (им не нужны импульсы тактовой частоты). Для перевода платы Arduino в данный спящий режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘010’. В этом режиме останавливаются все внешние кварцевые генераторы, но интерфейс TWI, сторожевой таймер и внешние прерывания продолжают работать. Мы можем вывести плату Arduino из этого режима с помощью:

  • внешнего сброса (Reset);
  • сброс системы от сторожевого таймера;
  • прерывание от сторожевого таймера;
  • сброс с помощью пониженного напряжения;
  • внешнее прерывание;
  • прерывание смены контакта.

Команда для перевода платы Arduino в периодический режим Power-Down:

С помощью этой команды плата Arduino перейдет в спящий режим на 8 секунд и потом выйдет из него (проснется) автоматически.

Мы также можем использовать переход в аналогичный спящий режим с условием что выход из него будет осуществлен по внешнему или внутреннему прерыванию. В этом случае код программы для Arduino будет выглядеть следующим образом:

Power-Save Mode (режим экономии потребляемой мощности)

Для перевода платы Arduino в данный спящий режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘011’. Этот режим аналогичен режиму power-down, но отличается от него тем, что если таймер/счетчик находится во включенном состоянии (enabled), он будет оставаться в этом состоянии даже в спящем режиме. Устройство можно вывести из данного спящего режима используя переполнение таймера.

Если вы не используете таймер/счетчик, то в этом случае рекомендуется применение режима Power-down вместо режима power-save.

Standby Mode (дежурный режим)

Режим Standby аналогичен режиму Power-Down, но отличается от него тем, что в нем внешний кварцевый генератор (external oscillator) продолжает работать. Для перевода платы Arduino в данный спящий режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘110’.

Extended Standby Mode (расширенный дежурный режим)

Этот режим аналогичен режиму power-save, но отличается от него тем, что в нем внешний кварцевый генератор (external oscillator) продолжает работать. Для перевода платы Arduino в данный спящий режим необходимо в ее биты SM[2,0] записать ‘111’. Устройству необходимо 6 временных циклов чтобы выйти из данного спящего режима.

В этом проекте мы будет переводить плату Arduino в режим Idle (холостой режим) и измерять снижение ее энергопотребления с помощью USB амперметра.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. Датчик температуры и влажности DHT11 (купить на AliExpress).
  3. USB амперметр (USB Ammeter) (купить на AliExpress).
  4. Макетная плата.
  5. Соединительные провода.

Более подробно о подключении датчика DHT11 к плате Arduino можно прочитать в этой статье.

USB амперметр

USB амперметр представляет собой plug and play устройство, способное измерять напряжение и ток на любом USB порту.

В нашем проекте USB амперметр подключается между USB портом компьютера и платой Arduino. Данный амперметр имеет в своем составе резистор сопротивлением 0.05 Ом, с помощью которого и происходит измерение протекающего через устройство тока. USB амперметр снабжен четырех разрядным семисегментным индикатором (аналогичный индикатор мы использовали в проекте часов на Arduino), на котором отображаются измеренные напряжение и ток. Эти данные обновляются каждые 3 секунды.

Внешний вид USB амперметра

Спецификация USB амперметра:

  • рабочее напряжение: от 3.5V до 7V;
  • максимальный измеряемый ток: 3A;
  • компактный размер;
  • не требует внешнего источника питания.

Схема проекта

Схема тестирования спящего режима в плате Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема тестирования спящего режима в плате Arduino

USB разъем платы Arduino подключается к USB амперметру, который подключается к USB порту компьютера. Контакт данных датчика DHT11 подключен к контакту D2 платы Arduino.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Вначале в программе нам необходимо подключить библиотеку для работы с датчиком DHT11 и библиотеку LowPower (для работы со спящими режимами), которую можно скачать по следующей ссылке. Также мы определим контакт, к которому подключен датчик DHT11 и создадим объект класса DHT.

В функции void setup мы инициализируем последовательную связь с помощью функции serial.begin(9600). Мы будем использовать встроенный в плату Arduino светодиод для индикации спящего режима. Также зададим режимы работы используемых контактов.

В функции void loop мы зажигаем встроенный в плату светодиод (подаем на него HIGH) и считываем значения температуры и влажности с датчика DHT11, которые мы затем сохраняем в переменных ‘t’ и ‘h’. Затем мы данные температуры и влажности выводим в окно монитора последовательной связи (serial monitor).

Перед переходом в спящий режим мы выводим в окно монитора последовательной связи "Arduino: - I am going for a Nap" и выключаем встроенный в плату светодиод (подаем на него Low). После этого с помощью специальной команды (рассмотрена ранее в статье) плата Arduino переводится в спящий режим.

В нашем примере мы переводим плату Arduino в периодический режим Idle на 8 секунд. В этом режиме АЦП, таймеры, интерфейсы SPI, USART, TWI переводятся в выключенное состояние (OFF). После истечения 8 секунд плата Arduino автоматически выводится из спящего режима и в окно монитора последовательной связи печатается сообщение “Arduino:- Hey I just Woke up”.

Таким образом, в нашем примере в течение минутного интервала плата Arduino будет находиться в спящем режиме 36 секунд и в обычном режиме 24 секунды, что позволяет значительно уменьшить энергопотребление нашей "станции погоды" на основе платы Arduino.

Энергопотребление нашего проекта в спящем режиме

Энергопотребление нашего проекта в спящем режиме

Энергопотребление нашего проекта в обычном режиме

Энергопотребление нашего проекта в обычном режиме

Таким образом, если мы будем использовать подобный спящий режим в плате Arduino, мы сможем приблизительно увеличить время ее функционирования в 2 раза при ее работе от батарейки.

Исходный код программы (скетча)

Программа с использованием спящего режима

Программа без использования спящего режима

Видео, демонстрирующее работу схемы

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
1 148 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *