3.3 Mätning av prototypens strömförbrukning
3.3.2 Experiment med strömförbrukningen i prototypens sensorer
Testerna undersökte hur samplingsfrekvensen samt hur de enskilda sensorerna påverkade strömförbrukningen. I mätningarna användes kretsen beskriven i 3.3.1 och figur 3.5. Utsignalen mättes sedan med hjälp av ett oscilloskop och sensorerna styrdes via applikationen Automat. Målet med testerna var att ta fram den
genomsnittliga strömförbrukningen för prototypen då den utsattes för olika scenarier.
3.3.2.1 Experiment 1: Alla sensorer avstängda
Detta test utfördes för att undersöka prototypens strömförbrukning när prototypen var ansluten till en mobiltelefon via Bluetooth och alla sensorer var avstängda.
Detta utfördes genom att ställa alla sensorers samplingshastighet till noll.
Figur 3.5: Figuren visar mätningar av strömmen när endast bluetoothenheten och 8051MCU är påslagna. De positiva pulserna uppstår antagligen när bluetoothenhetens radiosändare skickar data. Det sker med en periodtid på 30 ms.
Den högra bilden visar delen av perioden som sändning sker. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Jämför med en fyrkantsvåg så är den cirka 300 µs bred och en amplitud på 11,9 mA.
Strömförbrukningen ligger i snitt på 6,2 mA med toppar vid sändning på ytterligare 9,5 mA. Strömförbrukningens medelvärde beräknades med arean under kurvan.
Denna area dividerades sedan med tiden.
I figur 3.5 analyseras en period, under större delen av tiden ligger förbrukningen på 6,2 mA, vilket ger en förbrukning på:
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,0062 A) · (0,03 s) = 0,186 mAs
Utöver detta utgör de positiva pulserna ytterligare en strömförbrukning. Om denna puls jämförs med en fyrkantsvåg är den 11,9 mA hög och har en varaktighet på 300 µs. Detta ger en förbrukning på ytterligare:
𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0003 = 0,00357 mAs Sammantaget förbrukas alltså:
𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,186 + 0,00357 = 0,18957 mAs Den genomsnittliga strömmen över en periodtid blir:
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 =0,18957
0,03 = 6,319 𝑚𝐴
3.3.2.2 Experiment 2: Olika samplingsfrekvenser på IMU
Test nummer 2 gick ut på att undersöka hur samplingstiden påverkar
energiförbrukningen. I testet var bluetoothenheten, 8051 MCU och IMU aktiva.
Testet utfördes genom att justera samplingsfrekvensen från 13 Hz upp till 208 Hz och mäta resultatet med oscilloskop.
Test: 13 Hz.
Figur 3.6: Figuren visar 2 pulser. IMU samplar med en hastighet på 13 Hz. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Pulsen till vänster kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 300 us bred och har en amplitud på 11,9 mA. Pulsen till höger kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 450 us bred och har en amplitud på 11,9 mA. I ett intervall på 90 ms uppstår det två korta pulser och en lång innan mönstret återupprepar sig
Det som gick att urskilja från figur 3.6 är att den genomsnittliga strömmen ökade från 6,2 mA till 7 mA när IMU slogs på. Det gick även att se att energiåtgången för sändning har ökat eftersom att den skickar en större last innehållande
samplingsdata från IMU. I ett intervall på 90 ms uppstod det två korta pulser och en lång puls innan mönstret återupprepade sig.
Här analyseras intervallet på 90 ms, under större delen av tiden ligger förbrukningen på 7 mA.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,007 A) · (0,03 s) = 0,21 mAs
Test: 26 Hz
Figur 3.7: Figuren visar när bluetooth och accelerometer/gyroskopet är aktivt. Accelerometer och gyroskopet samplar med en hastighet på 26 Hz. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Jämför med en fyrkantsvåg så är pulsen cirka 450 us bred med en amplitud på 11,9 mA.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,00709 A) · (0,03 s) = 0,2127 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,00045 = 0,005355 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,2127 + 0,005355 = 0,2180 mAs
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 = 0,218
0,03 = 7,26 𝑚𝐴
Test: 52 Hz
Figur 3.8: Figuren visar 2 pulser. Accelerometer och gyroskopet samplar med en hastighet på 52 Hz. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Bilden till vänster kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 900 us bred med en amplitud på 11,9 mA. Bilden till höger kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 450 us bred med en amplitud på 11,9 mA.
I ett intervall på 60 ms uppstod det en kort puls och en lång innan mönstret återupprepade sig.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,00709 A) · (0,03 s) = 0,21 mAs
𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝= 𝐼𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,00045 = 0,005355 mAs
𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0009 = 0,01071 mAs
Figur 3.9: Figuren visar 2 pulser. Accelerometer och gyroskopet samplar med en hastighet på 104 Hz. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Bilden till vänster kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 1,8 ms bred och en amplitud på 11,9 mA. Bilden till höger kan jämföras med en fyrkantsvåg och är cirka 1,35 ms us bred med en amplitud på 11,9 mA.
I ett intervall på 90 ms uppstod det två korta pulser och en lång innan mönstret återupprepade sig.
Test: 208 Hz
Figur 3.10: Figuren visar när bluetooth och IMU är aktivt. IMU samplar med en hastighet på 208 Hz. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Jämfört med en fyrkantsvåg så är den cirka 1,8 ms bred och en amplitud på 11,9 mA.
Det som kan att urskiljas från figur 3.10 är att den genomsnittliga strömmen ökade från 7 mA till 7,3 mA.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,0073 A) · (0,03 s) = 0,219 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0018 = 0,02142 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,219 + 0,02142 = 0,24042 mAs
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 = 0,24042
0,03 = 8 𝑚𝐴
3.3.2.3 Experiment 3: olika samplingshastigheter på temperatursensor
Experimentet utfördes för att mäta hur luftfuktighets- och temperatursensorn påverkade strömförbrukningen.
Figur 3.11: Figuren visar två bilder. Den första bilden visar hur pulserna normalt ser ut när temperatursensorn samplar med 1 Hz. Den andra bilden visar när bluetoothenheten skickar lasten med information från temperatursensorn.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,0062 A) · (0,03 s) = 0,186 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0003 = 0,00357 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,186 + 0,00357 = 0,18957 mAs
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙= 𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 = 0,18957
0,03 = 6,319 𝑚𝐴
Eftersom fukt- och temperatursensorn samplar så sällan är den försumbar i beräkningarna av den totala strömförbrukningen. Därför blir den totala strömförbrukningen samma som i testet när alla sensorer var avstängda.
3.3.2.4 Experiment 4: Sensorerna inställda på maximal samplingshastighet Experimentet utfördes för att ta fram prototypens maximala strömförbrukning.
Figur 3.12: Figuren visar mätningar med oscilloskop när bluetooth, IMU samt fuktighetssensor/temperatursensor är aktiva.
Accelerometer och gyroskopet samplar med en hastighet på 208 Hz och fuktighetssensor/temperatursensor samplar varje sekund. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Jämfört med en fyrkantsvåg är den cirka 1,8 ms bred med en amplitud på 11,9 mA.
Denna mätning kan jämföras med den då accelerometer och gyroskopet samplar med en hastighet på 208 Hz. Resultatet av mätningen visar att strömmen som fuktighetssensor/temperatursensor drar är så pass liten att den är försumbar, eftersom den endast samplar en gång per sekund och påverkar inte drifttiden hos prototypen.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,0073 A) · (0,03 s) = 0,219 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0018 = 0,02142 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑡= 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,219 + 0,02142 = 0,24042 mAs
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 =0,24042
0,03 = 8 𝑚𝐴 3.3.2.5 Experiment 5: Bluetoothenhet inte ansluten till telefon
Experimentet utfördes för att ta fram prototypens strömförbrukning när den inte var ansluten till någon mobil delvis när ingen information erhålls.
Figur 3.13: Figuren visar när prototypen inte är ansluten till någon telefon. Den högra bilden visar att med en periodtid på 110 ms slås radiomottagaren på för att annonsera till andra bluetoothenheter. Den vänstra bilden visar att längden av en scanning tar 2 ms. 1 ruta vertikalt motsvarar 3,96 mA. Jämfört med en fyrkantsvåg så är den cirka 900 us bred med en amplitud på 11,9 mA.
Strömförbrukningen ligger i snitt på 6,1 mA.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,0061 A) · (0,11 s) = 0,671 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0009 = 0,01071 mAs 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ 𝑄𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,671 + 0,017071 = 0,68171 mAs
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 =0,68171
0,11 = 6,2 𝑚𝐴
3.3.2.6 Sammanställning av experimenten på sensorerna
Här presenteras resultatet av alla experimenten i form av en stapeldiagram.
Figur 3.14: Figuren visar strömförbrukningen för olika inställningar.
Tabell 3.1: Tabellen visar strömförbrukningen för olika inställningar
Ej ansluten 6,2 mA
Sensorer av 6,32 mA
IMU 13 Hz 7,14 mA
IMU 26 Hz 7,26 mA
IMU 52 Hz 7,27 mA
IMU 104 Hz 7,6 mA
IMU 208 Hz 8 mA
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
[mA]