Utvärdering av energiförbrukning av ett IoT-system för övervakning av hundars beteendemönster
Energy evaluation of an IoT-system for monitoring of dogs behavior
ROBERT GUSTAVSSON ALEXANDER LIND
KTH
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Utvärdering av energiförbrukning av ett IoT-system för övervakning av hundars beteendemönster
Energy evaluation of an IoT-system for monitoring of dogs behavior
Robert Gustafsson Alexander Lind
Examensarbete inom Elektroteknik, Grundnivå, 15 hp
Handledare på KTH: Svante Granqvist Examinator: Thomas Lind
TRISTA-STH 2017:49 KTH
Skolan för Teknik och Hälsa 141 57 Huddinge, Sverige
Sammanfattning
Tracy Trackers utvecklar just nu en AI-plattform vars syfte är att övervaka hundens rörelsemönster. Plattformen består av en mikrokontroller med accelerometer, gyroskop, temperatur samt luftfuktighetssensorer som fästs på hunden.
Mikrokontrollern är sedan uppkopplad till en mobil genom Bluetooth. I detta arbete undersöktes vilka batterier som finns på marknaden samt vilket som passar bäst för den prototyp som studerats. Målet med studien var att hitta ett batteri som är uppladdningsbart, har lång drifttid samt är ekonomiskt och miljömässigt
hållbart för framtida produktion. Hårdvara för mätning av batterispänningens karaktäristik byggdes för att avgöra om olika batterier skilde sig åt.
Strömförbrukningen hos de sensorer som var implementerade i produkten studerades med hjälp av oscilloskop och en egenkonstruerad förstärkarkrets.
Vidare konstruerades ett lågpassfilter för att fastställa DC-komponenten av strömförbrukningen. Strömförbrukningen som uppmättes genom testerna i detta arbete avser det som drar ström i prototypen. Den utvecklade hårdvaran kan användas till mätningar på framtida prototyper.
Nyckelord
Internet of things, Batteri, Strömförbrukning, Bärbara inbyggda system, Accelerometer, Gyroskop, Bluetooth
Abstract
Tracy Trackers is currently developing an AI platform which purpose is to monitor a dog's movement pattern. The platform consists of hardware with accelerometer, gyroscope, temperature and humidity sensors attached to the dog. The hardware is connected to a mobile through Bluetooth. A study was conducted to investigate which batteries that are available on the market and which ones that fit best for the prototype. The aim of the study was to find a rechargeable battery with long operat- ing hours that is economically and environmentally viable for future production.
Hardware for monitoring the battery voltage characteristics was built to determine differences between kinds of batteries and if there was an optimal type of battery for the specific product. The sensors used by the prototype were studied using os- cilloscopes and a self-constructed circuit in order to be able to determine power consumption at different sampling frequencies. Furthermore, a circuit was built for filtering out certain frequencies to determine the current consumption of the DC- components. The current consumption measured by the tests in this study refers to what draws current in the prototype. The developed hardware can be used for measurements of future prototypes
Keywords
Internet of things, Battery, Current consumption, Portable integrated circuits, Ac- celerometer, Gyroscope, Bluetooth
AI - Artificial intelligence NiMH - Nickel-metal hydride LCO – Lithium cobalt
LMO –Lithium-ion-manganese-oxide LiPO – Lithium-polymer
MEMS - Microelectromechanical system IMU - Inertial measurement unit
RTD – Resistance temperature detectors RH - Relative humidity
BLE - Bluetooth low energy MCU - Microcontroller unit ADC - Analog/digital converter
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Problemformulering ... 1
1.2 Målsättning ... 1
1.3 Avgränsningar ... 1
1.4 Författarnas bidrag till examensarbetet ...2
2 Teori och bakgrund ... 3
2.1 Batterier ... 3
2.1.1 Bly-syra-batterier ...4
2.1.2 Nickel-kadmium-batterier ...4
2.1.3 Nickel-metall-hydrid-batterier ...4
2.1.4 Litium-kobolt-batterier ... 5
2.1.5 Litium-magnesiumoxid-batterier ... 5
2.1.6 Litium-polymer-batterier ... 5
2.1.7 Sammanställning av batterityper ... 6
2.2 Tidigare arbeten ... 7
2.3 Prototypen som undersöktes ... 7
2.3.1 Accelerometern ... 7
2.3.2 Gyroskop ... 8
2.3.3 Inertial Measurement unit ... 8
2.3.4 Temperatursensor ... 8
2.3.5 Luftfuktighetssensor ... 9
2.3.6 Sensorenheten LSM6DS3 ... 9
2.3.7 Bluetooth Low-Energy ... 9
2.3.8 Bluetoothenheten CC2541 ... 10
2.3.9 Applikationen till prototypen ... 10
2.4 Oscilloskop ... 12
2.5 Ström ... 12
2.6 Mikrokontroller ... 12
2.7 Lågpassfilter ... 13
2.7.1 Butterworth lågpassfilter ... 14
3.3 Mätning av prototypens strömförbrukning ... 20
3.3.1 Förstärkarkrets ... 20
3.3.2 Experiment med strömförbrukningen i prototypens sensorer... 21
3.4 Undersökning av prototypens medelströmförbrukning ... 29
3.4.1 Butterworthfilter av fjärde ordningen ... 29
3.4.2 Mätning på prototypens dc-komponent ... 31
4 Analys och diskussion ... 33
4.1 Utvärdering av kretsar och mätningar ... 33
4.2 Med tillgång till mjukvara ... 34
4.3 Vid utformning av nästa prototyp ... 34
Slutsatser ... 35
4.4 I den fortsatta utvecklingen ... 35
Källförteckning ... 37
1 Inledning
Vid utveckling och forskning kring elektronik har miljö, energieffektivitet och batteritid varit styrande faktorer. Trycket på effektivt utnyttjande av resurser har ökat i syfte att minska påverkan på miljön. När trådlösa produkter med Internet of things (IoT) blir mer och mer vanligt är det viktigt att tänka på hur dessa kommer att påverka miljön. För att minska trycket på miljön är det viktigt att göra dessa produkter energisnåla. Detta möjliggör även en längre drifttid givet ett visst batteri.
Ett val av miljövänliga och effektiva batterier blir därför viktigt.
1.1 Problemformulering
Uppdragsgivaren vill utveckla ett hundhalsband som loggar hundens beteende med hjälp av olika sensorer. Detta kommunicerar via Bluetooth med en mobiltelefon.
Den nuvarande prototypen lider av kort batteritid, vilket lett till att uppdraget i denna studie är att undersöka möjligheterna att förlänga batteritiden. Genom att utvärdera olika batterityper och storlekar, samt genom att undersöka hur
prototypens sensorer drar ström vid olika driftförhållanden kan beslut göras för att öka drifttiden. Då företaget överväger att skapa en helt ny prototyp, behövs en metod som kan användas även på andra strömförbrukare.
1.2 Målsättning
Syftet med detta examensarbete är att:
● Framställa hårdvara för mätning och loggning av polspänningen under urladdning av batteriet.
● Undersöka vilken batterityp som ger prototypen så lång drifttid som möjligt med hänsyn till storleken, pris och miljö.
● Framställa hårdvara för mätning av strömförbrukning som en funktion av tiden.
● Genomföra en analys av strömförbrukningen samt ta fram hur sensorernas samplingsfrekvenser påverkar strömförbrukningen.
● Färdigställa en översikt för prototypens strömförbrukning under olika driftförhållanden.
1.3 Avgränsningar
Rapporten avgränsades till att endast behandla batterier med sekundära celler då den framtida produkten skulle vara uppladdningsbar. Målet var därför inte att framställa en färdig produkt utan att istället, med hjälp av mätningar och experiment, framställa riktlinjer för hur företaget bör utforma sin produkt i framtiden. Arbetet skulle även ge företaget ett antal verktyg att använda för framtida mätningar av sensorer och batterier. Metoderna som användes för att studera prototypen var endast av praktisk syfte då ingen tillgång till mjukvaran fanns. Därav kunde ingen detaljerad undersökning göras på hur
strömförbrukningen för enskilda komponenter såg ut. Projektet var tidsbegränsat och skedde på KTH:s lokaler i Flemingsberg och Stockholm. Det fanns en
tidsbudget på sammanlagt 800 timmar för gruppens två medlemmar.
1.4 Författarnas bidrag till examensarbetet
Handledaren till detta arbete var Svante Granqvist som hjälpte till att utforma samtliga kretsar i detta arbete. Författarna har bidragit till att skapa olika metoder för att mäta strömförbrukningen av en prototyp som skickar data med Bluetooth Low Energy (BLE) till en mobiltelefon. Författarna gjorde alla mätningar,
konstruktioner och programmering tillsammans i detta arbete.
2 Teori och bakgrund
Tracy Trackers utvecklar just nu en plattform med artificiell intelligens vars syfte är att övervaka hundens rörelsemönster. Plattformen består av hårdvara med
accelerometer, gyroskop, temperatur samt luftfuktighetssensorer som fästs på hunden. Hårdvaran är sedan trådlöst uppkopplad till en mobil genom Bluetooth.
Slutprodukten får inte bli för stor och tung samt att den längsta batteritiden eftersträvas. Därför kommer en studie att genomföras för att ta reda på vilka batterier som har en så hög kapacitet som möjligt utifrån storlek och vikt.
Produkten bör ha en låg energiförbrukning, vilket gör att valet av hårdvara till den framtida produkten är av högsta betydelse. I detta kapitel kommer sensorerna som används i prototypen samt olika typer av uppladdningsbara batterier att beskrivas.
2.1 Batterier
Kemiska batterier konverterar kemisk energi till elektrisk energi. Vid en yttre belastning strömmar elektroner från den negativa polen (anoden) till den positiva polen (katoden) hos batteriet. Genom att ladda batteriet återförs flödet och därmed omvandlar elektricitet till en kemisk form igen [1]. Det finns två olika typer av batterier, primära celler och sekundära celler [2]. De primära batterierna har en hög kapacitet men är inte laddningsbara. De sekundära är laddningsbara med en mindre kapacitet än de primära.
Batterier kategoriseras efter tre huvudegenskaper: kemi, spänning och kapacitet.
De vanligaste varianterna av batterier är bly, nickel och litium. Varje system behöver sin specifika laddare. Ett batteri som laddas med fel laddare kan komma att fungera till en början, men har stor sannolikhet att avsluta laddningen
inkorrekt. Vilket gör så att batteriet kan överladdas och skadas [3].
Det finns två viktiga parametrar hos ett batteri. De är specifik energi och
energitäthet som definierar batteriets kapacitet i förhållande till vikt (i Wh/kg).
Den andra är hur hög effekt den kan leverera (specifik effekt). En produkt som kräver lång drifttid och låg vikt samt måttlig last är optimal för att använda batterier med hög specifik energi [3], medan produkter som t.ex. batteridrivna verktyg är designade för hög effekt (i W).
C-rating är ett sätt att klassa ett batteris laddnings- och urladdningshastighet i förhållande till batteriet fulla kapacitet. Ett batteri som är klassat som 1C, kan laddas ur med hela sin kapacitet under en timme. Till exempel om ett fulladdat batteri har en kapacitet på 1 Ah och 1C kan det maximalt laddas eller laddas ur med 1 A i en timme [4]. Tabell 2.1 visar kortast möjliga urladdningstid vid olika C-
ratings.
Tabell 2.1 Kortast möjliga urladdningstid i förhållande till batteriets C-rating [3].
C-rate Kortast möjliga urladdningstid
5C 12 min
2C 30 min
1C 1h
0,5C 2h
0,2C 5h
0,1C 10h
0,05C 20h
2.1.1 Bly-syra-batterier
Detta är det äldsta batteriet som är uppladdningsbart. Bly-syra är ett billigt batteri, men det har en låg kapacitet och en kort livscykel. Livscykel menas med antalet uppladdningar innan dess kapacitet faller under 80 procent. Bly-syra används för många typer av fordon, nödbelysning och avbrottsfri strömförsörjning. Bly är giftigt och användningen av blybatterier bör därför begränsas [5].
2.1.2 Nickel-kadmium-batterier
Nickel-kadmium (NiCd) används vid behov av lång livslängd hos batteriet, hög urladdningsström och där varierande temperaturväxlingar sker. NiCd måste laddas ur helt innan uppladdning för att inte försämra dess livslängd. Huvudsakliga
användningsområden är elverktyg, medicinsk utrustning, flyg och UPS. På grund av miljöhänsyn har NiCd ersätts med andra batterier, men det behåller sin status i flygplan på grund av dess goda säkerhetsstatistik [5][6].
2.1.3 Nickel-metall-hydrid-batterier
Nickel-metall-hydrid (NiMH) började användas för att lösa problemet med gifter i kadmiumbatterierna [5][6]. Ett problem som uppstod med NiMH batterierna var att de var svårare att ladda än sin föregångare och att de laddas ur med 20 procent de första 24 timmarna och därefter med 10 procent per månad. En annan nackdel med NiMH är att de har en låg spänning på endas 1,2 V. NiMH är idag ett av det mest använda batteriet efter att producenter som t.ex. Panasonic och Energizer har insett behovet av hållbara billiga uppladdningsbara batterier. De har en hög
kapacitet, finns i en mängd storlekar och erhåller sin säkerhet från sin föregångare NiCd [5][6]. Nickel är inte giftigt för människor men har visat sig vara giftigt för växter [7].
2.1.4 Litium-kobolt-batterier
Litium-kobolt (LCO) är det mest använda litium-jon batteriet. LCO batteriet har en hög kapacitet och litium är den lättaste metallen vilket leder till att de får en hög specifik energi. LCO batteriet har en livscykel på 500 till 1000 urladdningar, har en polspänning på 3,7 V och kräver inget underhåll. Detta gör att de har blivit vanliga i mobiltelefoner och digitalkameror. På grund av säkerhetsbrister behövs en
skyddskrets för skydd mot för höga ur- och uppladdningar så att batteriets C-rate inte överskrids. De är även dyrare än nickel- och blybatterier [8][9].
2.1.5 Litium-magnesiumoxid-batterier
Litium-magnesiumoxid (LMO) batteriet har en livscykel på 500-700 urladdningar beroende på last, temperatur och hur mycket batteriet laddas ur varje gång. Den låga inre resistansen i cellen gör att batteriet kan laddas ur med hög ström utan att batteriet blir för varmt. Det är ett flexibelt batteri där dess karaktäristik går att forma mot längre livstid, högre kapacitet eller högre effekt. Optimering mot en av dessa egenskaper leder till att de resterande kan försämras [8].
2.1.6 Litium-polymer-batterier
Majoriteten av Li-polymer (LiPO) är koboltbaserade och använder samma material till katod och anod som LCO. LiPO har högre specifik energi och kan göras tunnare än Li-jon batterier. Batteriet är inlindat i flexibelt folie och använder Li-
polymerlaminerade ark som inte behöver komprimeras, medan ett Li-jon behöver ett hårt skal för att pressa samman elektroderna i batteriet. På grund av foliehöljet som LiPO använder, minskas den totala vikten med mer än 20% jämfört Li-
jonbatterier. Med dessa egenskaper kan LiPO formas efter användarens önskemål.
Polymer-batterier kräver också en skyddskrets vid upp- och urladdning för att inte överladdas. Men även med en skyddskrets så kan batteriet svälla pg.a gasbildning vid uppladdning. LiPO använder sig av en ”pouch cell” (folieinkapsling för ett batteri) vilket kan expanderar med 8-10 procent över 500 laddningscykler. LiPO i folieinlindning är mindre robust än Li-jon med sitt hårda cylindriska skal. Batteriet har låg vikt och hög effekt gör att batteriet används flitigt av hobbyister som vill driva modellflygplan och radiostyrda bilar. De passar även bra till mobiltelefoner och surfplattor [10][11].
2.1.7 Sammanställning av batterityper
De studerade batterityperna jämförs i figur 2.1 och 2.2 för att ta illustrera deras specifika energi i Wh/kg respektive energitäthet i Wh/l. Figur 2.2 har information från olika källor som anger olika värden på energitätheten.
Figur 2.1. Specifik energi för bly-, nickel- och litiumbaserade batterier. Den specifika energin beskriver hur mycket kapacitet som batteriet har i förhållande till vikten (Wh/kg) [5]. Värdena i figuren avspeglar teoretiska värden för respektive batteri.
Figur 2.2: Figuren visar energitäthet hos bly-, nickel- och litiumbaserade batterier. Energitätheten beskriver förhållandet mellan kapacitet (att lagra energi) och volym. Li-jon är ett samlingsord för flera laddningsbara litiumbatterier. Blå[11].
Orange[12].
2.2 Tidigare arbeten
I tidigare arbeten som gjorts inom området energieffektivisering och energikonsumtion av BLE presenteras olika metoder för att mäta
energiförbrukningen. Dessa arbeten visar även åtgärder som kan genomföras för att påverka BLE-enheters energiförbrukning.
I en studie av Lin Zhong [13] med flera utfördes en mätning på en sensorenhet som kommunicerar med en mobiltelefon via BLE. Resultatet av studien visade att majoriteten av energiförbrukningen berodde BLE enheten. Det var därför där justeringar kunde utföras för att minska energiförbrukningen. I studien framkom att med ett längre sändningsintervall minskar energiförbrukningen. Studien beskriver inte vilken mätmetod som användes.
I ett annat arbete där energiförbrukning vid sändning för en BLE-enhet Zigbee och ANT hade observerats med hjälp av en amperemeter. I studien jämförs dessa tre enheters energiförbrukning under olika sändningsintervall. Mätningarna samlades in med mätinstrumentet INA226 från Texas instrument. Strömmen kunde mätas med hjälp av instrumentets inbyggda shunt-resistor. Medelvärdet av 64 samplingar kalkylerades innan det sedan skickades seriellt till en PC. MATLAB användes för att beräkna den totala strömförbrukningen och duty cycle genom att dividera tiden enheten var i vaket tillstånd genom den totala tiden. Resultatet från arbete visade att BLE hade lägst strömförbrukning i alla tester [14].
I ett tidigare utfört arbete användes en shunt-resistor och ett oscilloskop för att mäta strömförbrukningen i ett BLE sensorsystem [15]. Strömförbrukningen kunde mätas noggrant för att ge detaljerad information om BLE-enhetens
energikonsumtion i olika tillstånd. Mätningarna visade bland annat strömförbrukningen av BLE-enheten vid annonsering.
2.3 Prototypen som undersöktes
Hårdvaran som användes som prototyp var från Neue-labs och fick namnet Automat. Det är en mikrokontroller med 12 in- och utgångar. Automatkortet är försett med LSM6DS3 från STMicroelectronics. LSM6DS3 innehåller sensorer som accelerometer, temperatursensor, gyroskop och luftfuktighetssensor [16].
Hårdvaran har även en Bluetoothenhet som är av typen CC2541 med inbyggd mikrokontroller från Texas instruments. Nedan kommer dessa sensorer och komponenter att beskrivas.
2.3.1 Accelerometern
En accelerometer är en sensor som mäter en massas acceleration från en fast referenspunkt och baseras på Newtons andra lag [17]:
𝐹 = 𝑚 · 𝑎 (2.1)
En mikroelektronisk mekaniskt system (MEMS) accelerometer kan mäta
förändring i kapacitiv last. Accelerometern består av en rörlig massa som sitter fast med ett mekaniskt upphängningssystem i en referensram [18]. Delarna är formade som en kam och när de utsätts för en kraft störs membranen i de kamliknande
delarna och genererar en elektrisk spänning som sedan kan användas för att beräkna accelerationen. Ett annan typ av MEMS accelerometer använder sig av piezoelektrisk effekt. Den består av en mikroskopisk kristalstruktur som påverkas av accelererande krafter och genererar en mätbar spänning.
2.3.2 Gyroskop
Ett vibrationsgyroskop mäter rotationshastigheten genom att känna av den kraft som uppstår i ett roterande system, se figur 2.3 [19]. Ett två-dimensionellt system drivs av vibrationer som uppstår i drivaxeln och när gyroskopet roterar uppstår en kraft som är vinkelrät mot både drivaxeln och den roterande axeln. Den kraft som uppstår överför energi från drivaxelns vibrationer till avkänningsaxeln.
Vibrationerna i avkänningsaxeln kan sedan mätas och bestämma rotationshastigheten som uppstått i systemet.
Figur 2.3: Figuren visar en enkel form av ett vibrerationsgyroskop. När gyroskopet roterar uppstår en kraft som överför energin från drivaxeln till avkänningsaxeln. Energin kan mätas och bestämma rotationshastigheten i systemet.
Den vibrerande massan alstrar en corioliseffekt som kan detekteras elektroniskt.
Denna effekt anger att en massa m som rör sig med hastighet v upplever en kraft i en referensram som roterar med hastigheten ω enligt formeln [17]:
𝐹𝑐 = −2 · 𝑚(𝜔 · 𝑣) (2.2)
2.3.3 Inertial Measurement unit
Inertial measurement unit (IMU) använder sig ofta av ett gyroskop med tre axlar och en accelerometer med tre axlar för att mäta vinkelhastighet och acceleration av ett objekt som befinner sig i en tre-dimensionell rymd [20].
2.3.4 Temperatursensor
Det finns många olika typer av temperatursensorer och de delas in i två kategorier;
kontaktsensorer och icke kontaktsensorer. Den senare mäter temperaturen från ett avstånd. I kategorin kontaktsensorer finns det tre vanliga typer som är termistor,
termistorpar och resistanstemperaturdetektor (RTD) [21]. RTD används ofta i mikroelektronik för att de kan göras små, har hög noggrannhet och kort svarstid.
Sensorn mäter förändring i resistansen som uppstår vid temperaturförändringar.
Detta förhållande är linjärt och kan uttryckas som:
𝑅𝑡 = 𝑅𝑖(1 + 𝛼𝑇𝛥𝑇) (2.3)
Där Rt är resistansen för t ℃, Ri är resistansen för i ℃ och t = i + ΔT.
Ekvationen kan ordas om så att:
𝛼𝑇 = 𝑅𝑡 − 𝑅𝑖
𝑅𝑖(𝛥𝑇) (2.4)
där 𝛼𝑇är resistansens temperatur koefficient [22].
2.3.5 Luftfuktighetssensor
Det finns två större klassificeringar av luftfuktighetsensorer. Den första mäter mekaniska förändringar av en film eller tråd. Den andra svarar på elektriska förändringar i resistans eller kapacitans. Fuktighet kan beräknas enligt formeln.
𝐻 = (𝑀𝑎·𝑃𝑎)
(𝑀𝑏(1−𝑃𝑎)) (2.5)
Där Ma och Mb är den molekylära vikten av komponent A och B, Pa är partialtryck.
För fuktigheten hos vattenånga i luft är komponent A vattenånga och komponent B luft [23]. Relativ fuktighet (RH) är förhållandet mellan partialtrycket hos ångan till det mättade ångtrycket (Ps) hos vätskans temperatur i gasform. För en ideal gas är:
𝑅𝐻 = 100𝑃𝑎
𝑃𝑠 (2.6)
2.3.6 Sensorenheten LSM6DS3
Sensorenhetens accelerometer och gyroskop kan sättas i fyra olika driftlägen [24].
Power-down, low-power, normal mode och high-performance mode. Low-power mode stödjer samplingshastigheter för 12,5 Hz, 26 Hz och 52 Hz, normal mode stödjer 104 Hz och 208 Hz. High-performance mode stödjer hastigheter över 208 Hz upp till 1666 Hz. I normal mode drar sensorn 0,9 mA och i high-performance mode 1,25 mA.
2.3.7 Bluetooth Low-Energy
Bluetooth-tekniken är en standard som möjliggör trådlös anslutning av enheter och verkar i det olicensierade ISM-bandet vid 2,4 till 2,485 GHz. Bluetooth Low Energy (BLE) skiljer sig från tidigare versioner av Bluetooth genom sin låga
energiförbrukning. Detta gör den till ett bra alternativ för enheter som behöver periodiska uppdateringar som till exempel att skicka data från en sensor[25].
Uppkoppling mellan enheter kan göras snabbt och avslutas efter att ett datautbyte skett, vilket leder till att energiförbrukningen minimeras. För att uppnå en kontakt mellan två enheter definieras de som master och slave. En enhet är antingen en master eller en slave och aldrig båda. BLE har en maximal strömförbrukning på
under 18 mA och en medelförbrukning på 1 µA. Den aktiva strömförbrukningen är en tiondel lägre än hos klassisk Bluetooth teknologi. BLE använder sig av ett annonseringstillstånd, se figur 2.5 där slave-enheten kan meddela master-enheten att den har någonting att skicka. Ett annonseringsmeddelande kan inkludera mätdata [26].
Figur 2.4. Annonsören skickar periodiskt meddelanden och kommer alltid vara en slave-enhet efter att uppkopplingen mellan enheterna skett. En scanner är redo att ta emot ett annonseringsmeddelande eller en kontaktförfrågan. Scannern blir en master-enhet efter att uppkoppling har etablerats.
2.3.8 Bluetoothenheten CC2541
Bluetoothenheten har en inbyggd 8051 mikrokontroller (MCU) som stödjer datahastigheter på 250 kbps, 500 kpbs, 1 Mbps och 2 Mbps. I bluetoothenhetens aktiva läge har den en strömförbrukning vid sändning på 18,2 mA och 17,9 mA vid mottagning och 1,2 mA vid ADC-konvertering. Dessa värden ges när inga
periferienheter är aktiva samt när enheten har en matningsspänning på 3 V, 1 Mbps och en BER på 0.1%. Enheten kan sättas i tre Power-Mode lägen där den är försatt i ett sovtillstånd. Power-Mode 1 har en uppvakningshastighet på 4 µs drar 270 µA i sovtillstånd. Med Power-Mode 2 drar den 1 µA i sovläget och ställs in med en uppvakningstimer. Power-Mode 3 reagerar på yttre avbrott och drar 0,5 µA i sitt sovtillstånd [27].
2.3.9 Applikationen till prototypen
För att styra prototypens olika sensorer användes en iOS applikation som var tillgänglig för nedladdning. Applikationen kontroller de digitala I/O portarna, styr sensorer och skickar data till en server. Applikationen har även en så kallad
AutoMotion funktion som visualiserade baskortets orientering i en 3D-rymd.
Vidare kan applikationen visa data från baskortets sensorer med hjälp av diagram.
Figur 2.6 visar applikationens inställningar
Figur 2.5. Inställnings funktionen på Automat app
Enhetens sensorinställningar görs på applikationen under Settings och regleras med dragreglage. IMU-enheten kan ändra sin samplingsfrekvens mellan 13, 26, 52, 104, 208 Hz och i offläget är sensorn avstängd. Temperaturluftfuktighetsensorn uppdateras i enheten sekunder eftersom den inte behövs samplas lika ofta. Dess inställningsintervall ligger på 0–20 sekunder, 0 stänger av sensorn för att spara energi. I/O portarnas dragreglage väljer vilken port som justeras med fyra stycken kontrollknappar under reglaget. Det finns 12 I/O portar på Automat-enheten. De första 8 används som analoga insignaler och alla portar kan ställas in som digitala in- och utgångar. Kontrollknappen till den analoga ingången avaktiveras när portar över 8 väljs [16].
Kontrollknapparna används för att ställa in de 12 portar som finns på enheten.
● Digital out - väljer en port till digital utgång.
● Digital in - väljer en port till digital ingång.
● Invert digital in - väljer om ett ON läge skulle vara en logisk 1 eller 0.
● Analogue in - väljer en port till analog ingång.
2.4 Oscilloskop
Ett oscilloskop är ett mätinstrument för att undersöka spänningar som varierar över tid. Eftersom mätinstrumentet inte ska påverka kretsen den mäter på så har den en hög impedans i form av en resistiv del som ofta ligger på ett antal Megaohm parallellt med en kapacitiv del på några pF. Vid mätning med oscilloskop används en mätsladd som kallas probe. Proben fungerar som en spänningsdelare och kan dämpa mätresultatet med en faktor på 10 ggr [28], vilket också gör inimpedansen 10 ggr större.
2.5 Ström
Ström är lika med laddningsflöde per sekund och beräknas som derivatan av mängden laddningar.
𝑖(𝑡) =𝑑𝑄(𝑡)
𝑑𝑡 (2.7)
Det finns flera metoder att mäta ström på. Ett sätt är med halleffektmätning, där magnetfältet runt en strömledare mäts. Den strömförande ledaren omsluts av en kärna som har ett luftgap. I luftgapet finns ett hallelement placerat och när
strömmen driver magnetflödet i kärnan påverkas hallelementet så att det bildas en mätbar spänning [29].
Ett annat sätt är med hjälp av optisk fiber. Mätinstrumentet har en öppning i ena änden och lindas kring primärledaren. Med hjälp av Faraday-effekten kan
fasförändring i ljuset som påverkas av ett magnetiskt fält mätas. Med denna metod kan mätningar på DC över 100 kA göras med en hög noggrannhet [30].
Ett annat sätt är att använda en shunt. En shunt är ett motstånd som det uppstår ett spänningsfall över när en ström går igenom den [30]. Denna spänning kan sedan mätas och strömmen kan därefter räknas fram med hjälp av ohm lag.
Metoden passar utmärkt till att mäta små strömmar. Denna metod har en hög noggrannhet och är även enkel samt kostnadseffektiv att implementera.
2.6 Mikrokontroller
Mikrokontrollern som användes under mätningarna i detta projekt var ett Arduino UNO, se figur 2.7. En mikrokontroller (MCU) är en enchipsdator som har ett arbetsminne, programminne och CPU samt ett antal I/O-portar.
Mjukvaruplattformen har en öppen källkod och är kompatibel med
programmeringsspråket C. Arduino UNO har 6 analoga ingångar och 14 digitala in- och utgångar [31]. Med en ATmega328P 16 MHz processor har Arduino-kortet 10 bitars upplösning på de analoga ingångarna. Arduino-kortet tolkar analoga värden mellan 0 V till 5 V vilket innebär att den omvandlar spänningen på ingången till ett heltal mellan 0 till 1023. Detta ger en upplösning på
5 𝑉
1024= 4 𝑚𝑉
ADC i defaultläge har en prescaler på 128, vilket ger ADCn en klockfrekvens på 125 kHz. Varje konvertering från analogt till digitalt värde tar 13 klockcykler vilket ger en teoretisk samplingshastighet på upp till
125 𝑘𝐻𝑧
13 = 9615 𝐻𝑧
Figur 2.6. Figuren föreställer microcontrollern Arduino UNO.
2.7 Lågpassfilter
Ett lågpassfilter är avsett för att släppa igenom låga frekvenser och filtrera bort de frekvenser som ligger över brytsfrekvensen f0 genom att dämpa dem [32].
Ett enkel lågpassfilter består av ett motstånd i serie med en belastning och en kondensator parallellt med lasten, se figur 2.8. Kondensatorn skapar en reaktans och blockerar signaler med låga frekvenser. Vilket istället tvingar signalen genom belastningen. Vid högre frekvenser sjunker reaktansen, och kondensatorn fungerar som kortslutning. Kombinationen av resistans och kapacitans ger filtrets
tidskonstant (T).
Figur 2.7. Illustrerar ett lågpassfilter av första ordnigen
Ett första ordningens lågpassfilter ges med formeln:
𝐺(𝑗𝜔) = 1
(1+𝑗𝜔
𝜔0) (2.8)
𝜔0 = 1
𝑇= 1
𝑅𝐶 (2.9)
𝑓0 = 1
(2·𝜋·𝑅𝐶) (2.10)
Det finns många olika typer av filter och deras karaktäristik skiljer sig åt.
Ordningen av ett filter avgör hur snabbt signalen dämpas efter brytfrekvensen. För att få en brantare dämpning kan flera filter kopplas ihop efter varandra, även kallat kaskadkoppling. Kopplas två filtersteg med vardera 20 dB/dekad ihop uppnås ett andra ordningens filter med en dämpning på 40 dB/dekad [32]. Genom att addera brantheten för varje steg kan den totala lutningen beräknas. Frekvenssvaret brukar vanligtvis representeras i ett bodediagram [33].
2.7.1 Butterworth lågpassfilter
Butterworthfilter även kallad Maximally flat magnitude filter är en typ av filter designat för att uppnå en så snabb dämpning som möjligt efter brytfrekvensen. Det som eftersträvas är att uppnå idealet kallat Brickwall-filter, vilket släpper igenom alla frekvenser som är lägre än brytfrekvensen och helt dämpar frekvenserna över, se figur 2.9. Den generella ekvationen för ett filter av n:te ordningens framtages med formeln [34]:
𝐺(𝜔) = 1
√(1+(𝜔0𝜔)2𝑛)
(2.11)
Figur 2.8: Figuren visar det ideala frekvenssvaret kallat ett Brickwall-filter och standard Butterworth-approximationer, för olika filterordningar.
För utformningen av Butterworth-lågpassfilter används en standardtabell (se tabell 2.2) med normaliserade lågpasspolynom med värden för koefficienten som
motsvarar en brytfrekvens på 1 rad/s.
Tabell 2.2: Tabellen visar koefficient värden för olika filter ordningar för att uppnå en brytfrekvens på 1 r/s [34].
n:te
ordningen
Normaliserade Lågpasspolynom
1 (1 + s)
2 (1 + 1,414s + s2)
3 (1 + s)(1 + s + s2)
4 (1 + 0,765s + s2)(a + 1,848s + s2) 5 (1 + s)(1 + 0,618s + s2)(1 + 1,618s + s2) 6 (1 + 0,518s + s2)(1 + 1,414s + s2)(1 + 1,932s + s2) 7 (1 + s)(1 + 0,445s + s2)(1 + 1,247s + s2)(1 + 1,802s + s2) 8 (1 + 0,390s + s2)(1 + 1,111s + s2)(1 + 1,663s + s2)(1 + 1,962s + s2) 9 (1 + s)(1 + 0,347s + s2)(1 + s + s2)(1 + 1,532s + s2)(1 + 1,879s + s2) 10 (1 + 0,313s + s2)(1 + 0,908s + s2)(1 + 1,414s + s2)(1 + 1,782s + s2)(1 +
1,975s + s2)
För att räkna fram värden på resistorerna och kondensatorerna måste först brytfrekvens samt Q-värde bestämmas, där Q är inversen av koefficienten. Sedan utgår man från ett Butterworthfilter av andra ordningen och använder sig av formlerna [32]:
𝜔0 = 2𝜋 · 𝑓0 = 1
√𝑅1·𝑅2·𝐶1·𝐶2 (2.16)
𝑄 =𝜔0
2𝛼= √(𝑅1·𝑅2·𝐶1·𝐶2
𝐶2(𝑅1+𝑅2) (2.17)
3 Metoder och resultat
I den första delen av kapitlet presenteras resultatet av batteristudien som
presenterades i kapitel 2. Där gjordes en avvägning för att bestämma vilka typer av batterier som skulle undersökas. Vidare ingick de valda batterierna i ett experiment för att se hur polspänningen påverkades av att batteriet laddades ur med en
konstant ström.
Den andra delen behandlar hur experiment på prototypen utfördes och utvärderar prototypens strömförbrukning. I experimenten undersöktes strömförbrukningen när olika sensorer var aktiva. Vidare utfördes experiment för att se om sensorernas samplingsfrekvens hade en inverkan på strömförbrukningen.
3.1 Litteratursökning om batteriegenskaper
Metoden som användes för att ta reda på vilken typ batteri som skulle användas var att genom en faktainsamling utvärdera olika uppladdningsbara batterier som finns på marknaden idag. En viktig målsättning för slutprodukten från Tracy Trackers var att batteriet skulle vara kompakt och inte väga för mycket, men ändå ha en stor kapacitet. Önskemålet beskriver i stort sett innebörden av specifik energi och energitäthet. Därför jämfördes de studerade batterierna utifrån de aspekterna i en diagram, se figur 2.2 och 2.3 för att se vilken som hade högst kapacitet i förhållande till sin vikt och volym.
De batterier som har högst specifik energi i förhållande till sin vikt var LCO och LiPO med teoretiska värden upp till 200 Wh/kg, se figur 2.2. Dessa två har även högst energitäthet med värden mellan 300-370 Wh/l, se figur 2.3.
Vilken typ av batteri som borde användas till produkten står mellan LCO och LiPO.
De har ungefär lika lång livslängd (antal laddningscykler). Det som kan tala för LiPO är att den kan formas efter sin produkt och har något högre specifik energi än LCO. Dock kan LiPO batterierna expandera med upp till 10% efter 500 cykler.
Detta medför att ett extra utrymme behövs vid designen av produkten. LCO och LiPO är de två miljövänligaste batterierna utifrån de övriga laddningsbara alternativen eftersom de är minst giftiga för människor och natur.
3.2 Undersökning av batteriets polspänning vid urladdning
Syftet med experimentet var att undersöka hur batteriets polspänning ändrades vid urladdning. Testet gjordes på ett Li-jon batteri och ett LiPO-batteri för att se om deras karaktäristik skilde sig åt.
3.2.1 Batterikrets
Kretsen konstruerades för att batteriet skulle leverera en konstant ström genom hela urladdningsfasen. Urladdningsströmmen dimensionerades för att simulera prototypens strömförbrukning när sensorerna var aktiva, se figur 3.1. Kretsen drevs med en 12 V DC-adapter som gav upphov till en ström som dimensioneras med resistorn R1. Dioderna D1 till D4 användes för att skapa en konstant spänning efter bas-ingången på transistorn. Detta ledde till att en konstant och stabil ström gick
igenom basen på transistorn. Den stabila strömmen på basen åstadkom en konstant ström att flöda från kollektor till emitter. Med ett Arduinot-kort kunde polspänningen samt strömmen som gick igenom R2 samplas. Programmet som konstruerades för testet finns i bilaga 2.
Figur 3.1: Krets för mätning av batteriernas karaktäristik.
3.2.1.1 Batteriexperiment: Hur polspänningen varierar över tid
Testet utfördes på ett Varta Litium-jon knappcellsbatteri med en kapacitet på 120 mAh och ett LiPO pouch-cell batteri på 155 mAh. Vid full laddning hade batterierna polspänningen 4,2 V. Ström och spänning samplades med ett intervall på 10
sekunder, se figur 3.2 och 3.3.
Figur 3.2: Karaktäristiken för ett Varta CP1654A3 knappcellsbatteri. Spänningen visas i blått (V) och strömmen visas i orange (mA).Efter cirka 13,8 timmar hade batteriets polspänning minskat kraftig och kunde inte längre leverera den ström som kretsen var designad för.
Figur 3.3: Karaktäristiken för ett LiPO ICP641620PA-01 pouch cell. Spänningen visas i blått (V) och strömmen visas i orange (mA). Efter cirka 19,4 timmar hade batteriets polspänning minskat kraftig och kunde inte längre leverera den ström som kretsen var designad för.
Efter experimentet utfördes beräkningar för att kontrollera om batteriet hade levererat den utlovade kapaciteten. Den totala mättiden dividerades med strömförbrukningen:
Li-jon:
𝐶 = 𝑡 · 𝐼 = 13,8 ℎ · 8,48 𝑚𝐴 = 117 𝑚𝐴ℎ LiPO:
19,4 ℎ · 8,48 𝑚𝐴 = 164,7 𝑚𝐴ℎ
0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10 12 14 16
[V] [mA]
Tid [h]
Knappcell Litium-Ion 120 mAh
Spänning (V) Ström (mA)
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25
[V] [mA]
Tid [h]
Pouch cell LiPO 155mAh
Spänning [V] Ström [mA]
Resultatet av experimentet visar att batterierna som testades kunde leverera en konstant ström under hela urladdningstiden. LiPO levererade 164,7 mAh vilket är högre än 155 mAh som utlovats. Li-jon levererade 117 mAh, vilket var lite mindre än batterimärkningen på 120 mAh.
3.3 Mätning av prototypens strömförbrukning
Prototypens strömförbrukning undersöktes med hjälp av en specialbyggd krets.
Kretsen kan kopplas till ett oscilloskop för att se snabba förändringar i
strömförbrukningen. Ur mätdata kan rimliga slutsatser dras om hur prototypens olika delar bidrar till den totala strömförbrukningen. I förlängningen skapar det möjlighet för utvecklare att optimera hård- och mjukvara i syfte att förlänga batteritiden. Programmet som konstruerades för mätningen finns i bilaga 1.
3.3.1 Förstärkarkrets
För att undersöka strömförbrukningen kopplades ett motstånd i serie med prototypen, se figur 3.4. Resistorn R3 valdes för att spänningsfallet över
motståndet skulle vara 0–50 mV vid en strömförbrukning på 0-10 mA. Det ansågs som en tillräckligt liten del av den totala spänningen för att vara försumbar i mätningarna. En op-krets dimensionerades för att förstärka spänningsfallet över motståndet till 5 volt innan det kopplades till arduino-kortets analoga ingång.
Detta utfördes med en icke-inverterande förstärkarkonfiguration där signalen förstärktes med faktorn G = 101 gånger enligt formeln:
𝐺 =𝑅3+𝑅4
𝑅4 (3.1)
Den OP-förstärkare som användes var en uA741 som med oscilloskop uppmätte en offsetspänning på 50mV. Denna spänning togs inte i beaktande när tester utfördes.
Figur 3.4: Kretsschema över förstärkarkrets.
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
𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝= 𝐼𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0003 = 0,00357 mAs 𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,00045 = 0,005355 mAs
𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ ((2
3) · 𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝) + ((1
3) · 𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝)
= 0,21 + ((2
3) · 0,00357) + ((1
3) · 0,005355) = 0,2142 𝑚𝐴𝑠
𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙= 𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 = 0,214165
0,03 = 7,14 𝑚𝐴
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 𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ ((1
3) · 𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝) + ((2
3) · 𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝)
= 0,21 + ((1
3) · 0,005355) + ((2
3) · 0,01071) = 0,2180 mAs 𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙= 𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 = 0,218
0,03 = 7,27 𝑚𝐴 Test: 104 Hz
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.
𝑄𝑙å𝑔 = I · t = (0,00709 A) · (0,03 s) = 0,21 mAs
𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,00135 = 0,01607 mAs 𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 𝐼𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝· 𝑡𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝 = 0,0119 · 0,0018 = 0,02142 mAs
𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄𝑙å𝑔+ ((2
3) · 𝑄𝑘𝑜𝑟𝑡𝑡𝑜𝑝𝑝) + ((1
3) · 𝑄𝑙å𝑛𝑔𝑡𝑜𝑝𝑝)
= 0,21 + ((2
3) · 0,01607) + ((1
3) · 0,02142) = 0,2279 mAs 𝐼𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙= 𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑇 =0,2279
0,03 = 7,60 𝑚𝐴
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]
Resultat från experimenten
3.4 Undersökning av prototypens medelströmförbrukning
Experimentet utfördes för att studera prototypens strömförbrukning som en funktion av tiden. För att återskapa medelströmmen och uppfylla
samplingsteoremet var ett filter tvunget att konstrueras.
3.4.1 Butterworthfilter av fjärde ordningen
Anledningen till varför ett butterwortfilter användes var för att magnitudkurvans lutning var brant ovanför brytfrekvensen och dämpade höga frekvenser snabbt. Ett lågpassfilter av första ordningen har en dämpning på 20 dB/dekad medan ett butterworthfilter av fjärde ordningen har en dämpning på 80 dB/dekad.
Mikrokontrollern med ett egenskrivet program för sampling kom upp till en samplingsfrekvens 50 Hz. Butterworthfiltret dimensionerades i Orcad för att uppfylla samplingsteoremet.
𝑓𝑠 = 2 · 𝑓𝑚 (3.2)
Gränsfrekvensen bestämdes till 1 oktav lägre än 25 Hz för att uppfylla
samplingsteoremet. Därefter bestämdes Q efter tabellen i kapitel 2, se tabell 2.2.
Vidare kunde komponenternas storheter räknas fram med hjälp av formlerna för ett Butterworthfilter av andra ordningen.
Genom att kaskadkoppla två andra ordningens filter kunde Butterwothfilter av fjärde ordningen tas fram:
𝑃𝑜𝑙𝑦𝑛𝑜𝑚 𝑓𝑗ä𝑟𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 = (1 + 𝑎𝑠 + 𝑠2)(1 + 𝑏𝑠 + 𝑠2) 𝑄1 = 1
𝑎, 𝑄2 =1
𝑏 (3.3)
𝜔0 = 2𝜋 · 𝑓0 = 1
√𝑅1·𝑅2·𝐶1·𝐶2 (3.4)
𝑄1 =𝜔0
2𝛼 = √(𝑅1·𝑅2·𝐶1·𝐶2
𝐶2(𝑅1+𝑅2) (3.5)
𝜔0 = 2𝜋 · 𝑓0 = 1
√𝑅3·𝑅4·𝐶3·𝐶4 (3.6)
𝑄2 = 𝜔0
2𝛼 =√(𝑅3·𝑅4·𝐶3·𝐶4
𝐶4(𝑅3+𝑅4) (3.7)
Figur 3.15: Butterworthfilter av fjärde ordningen som dimensionerades för att uppfylla samplingsteoremet.
Figur 3.16: Figuren visar att brytfrekvensen ligger på 12,5 Hz vilket är en oktav innan 25 Hz (vid 12,5 Hz har signalen dämpas med 3 dB).
3.4.2 Mätning på prototypens dc-komponent
Experimentet utfördes för att studera prototypens strömförbrukning över tid och för att undersöka om prototypens strömförbrukning berodde av
matningsspänningen. Värdet för strömmen vid startskedet var 7,47 mA och spänningen 4,19 V, vilket ger en effekt på 31.3 mW. Efter 5,5 h låg strömmen på 8,21 mW och spänningen på 3,73 V, vilket ger en effekt på 30,6 mW. Efter 11,6 h låg strömmen på 8,76 mW och spänningen på 3,44 V, vilket ger en effekt på 30,1 mW, se figur 3.17 och 3.18.
Figur 3.17: Den blå linjen visar batteriets polspänning och den oranga linjen visar medelströmförbrukning för prototypen. I testet användes ett Varta knappcellsbatteri på 120 mAh.
Figur 3.18: Prototypens medeleffektförbrukning över tid med ett Varta knappcellsbatteri 120 mAh.
Resultatet av experimentet visar att medeleffektförbrukningen ligger mellan 30,1 mW till 31,3 mW. Utifrån detta kan slutsatsen dras att prototypen är ungefär samma effekt, oberoende av matningsspänningen. Detta medför att
strömförbrukningen ökar när batteriets polspänning sjunker.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 2 4 6 8 10 12 14 16
[mW ]
[h]
Effektförbrukning
effekt (mW)
4 Analys och diskussion
Studien som gjordes om batterier visade vilka batterier som har minst påverkan på miljön. Litium-jon-batterier innehåller inga tungmetaller. Tungmetaller ska
undvikas att användas i batterier eftersom det är väldigt svåra att återvinna på ett miljövänligt sätt. Litiumbatterierna är idag de som är minst skadliga för miljön och där 90% av batteriet går att återvinna [35]. Genom att välja laddningsbara Litium- jon batterier behöver batterier inte bytas ut lika ofta och restavfall kan därför minskas.
Man bör även minimera energiförbrukningen vid framställning av produkter särskilt när tanken är att produkten ska massproduceras. En mWh kan förefalla obetydlig, men vid framställning i stor skala spelar det en stor roll. En ekonomisk fördel med minskad effektförbrukning är att man kan använda ett billigare batteri med lägre kapacitet och ändå få samma drifttid.
Arbetets resultat indikerar att när prototypen inte är ansluten till någon mobil delvis när ingen information utvinns är det inte någon stor skillnad i
strömförbrukningen mot när den samlar in information och skickar till mobilen.
Det som borde åtgärdas för att få en längre drifttid hos prototypen är att minska dess strömförbrukning när den inte används. Det lättaste sättet att göra detta på är genom att implementera en strömbrytare för att kunna stänga av prototypen när den inte samlar in data.
En annan metod är att åtgärda mjukvaran på ett energieffektivt sätt. Detta kan göras genom att sätta prototypen i ett sovtillstånd när den inte används. Detta kan göras med hjälp av watchdog och helt stänga av enheten när den inte har varit ansluten till någon mobil på en bestämd tid. Sedan väcka prototypen med ett intervall för att söka efter en mobil bluetoothenhet. Denna metod kommer dock leda till att det tar längre tid att ansluta till prototypen om man försöker att ansluta när den ligger i sleep mode. Därför bör tiden mellan uppvakningarna
dimensioneras så att det tillfredsställer både låg strömförbrukning och den praktiska användningen på ett bra sätt.
Examensarbetets uppdragsgivare kan utvärdera analysen och baserat på resultatet bestämma den samplingshastighet som passar bäst för produkten. Med de
förutsättningar som fanns kan det anses att analysen och kretsen som byggdes uppfyller önskemålet om att mäta den totala strömförbrukningen hos produkten.
4.1 Utvärdering av kretsar och mätningar
Kretsen som konstruerades för att övervaka strömmens variation med tiden kan mäta strömförbrukning vid olika samplingsintervall på sensorerna. Under
mätningarna ställdes IMU-enhetens samplingsfrekvens till 52 Hz, som valdes för att företagets egna tester vid insamling av information till AI-algoritmen utfördes med den frekvensen. I testerna kunde en konstant spänningskälla använts istället för ett fulladdat batteri för att säkerställa att batteriets polspänning inte varierade mellan testerna. Det hade även förbättrat resultatet på testerna om spänningen
hade dimensionerats för att motsvara batteriets medelspänning, eftersom det framkom i experiment 3.4 att strömförbrukningen ökade i takt med att
polspänningen sjönk. I experimenten på samplingstiden visas endast
strömförbrukningen när polspänningen var 4,2 V, vilket ledde till att värdena i resultatet är något lägre än medelströmförbrukningen.
4.2 Med tillgång till mjukvara
Med tillgång till mjukvara för prototypen hade mätningarna med större säkerhet kunna avgöra vad som var avstängt. Mätningar blev begränsade och arbetet anpassades till att lita på tillverkarnas beskrivningar för de olika inställningarna.
Vid tillgång till mjukvaran hade även försök till egen optimering varit möjlig utifrån resultatet. Det hade även kunnat utförts mätningar och tester på hur olika
sleepinställningar hade påverkat strömförbrukningen.
4.3 Vid utformning av nästa prototyp
Viktigt att tänka på vid utformning av nästa prototyp är att bluetoothenheten är en dominerande faktor av energiförbrukningen, vilket även tidigare studier pekat på.
Enligt databladet har denna bluetoothenhet en strömförbrukning på 18 mA i aktivt tillstånd. Prototypens bluetoothenhet verkar vara bra programmerad och förbrukar bara mellan en till fyra procent av den totala strömförbrukningen. Det kan
diskuteras om hur stora intervall bluetoothenheten bör skickar ut ”advertising” för att ansluta till mobiltelefon. Detta kan göras med ett intervall på 20 ms till 10,24 s [36]. Ett större intervall kommer leda till en lägre energiförbrukning, men kommer leda till att det tar längre tid att ansluta enheten till en mobiltelefon.
Slutsatser
I detta projekt har det tagits fram en metod för att uppdragsgivaren i framtiden ska kunna utvärdera strömförbrukningen på sina kommande prototyper och sensorer.
Genom att använda sig av den konstruerade förstärkarkretsen kan mätdata samlas in via en mikrokontroller och beräkna en genomsnittlig strömförbrukning för prototypen. Efter att prototypens strömförbrukning hade mätts gjordes en
sammanställning över hur sensorerna påverkade strömförbrukningen samt vilken inverkan samplingsfrekvensen har (se figur 3.14).
Arbetet inkluderar även en litteraturstudie och en mätmetod som företaget kan använda vid val av batteri till sin slutgiltiga produkt. Litteraturstudien redovisar vilka batterier som finns på marknaden idag och vilka batterier som är bäst lämpade för prototypen. Batteriet som används för prototypen idag är ett Li-jon- batteri, vilket studien visar var ett av de med högst specifik energi och energitäthet.
Mätmetoden är en krets som konstruerades för att kunna visualisera batteriernas urladdningskaraktäristik. Det visade sig att de batterier som testades hade snarlik karaktäristik (se figur 3.2 och 3.3).
4.4 I den fortsatta utvecklingen
I det här arbetet kunde det konstateras att sensorernas strömförbrukning var relativt låg i jämförelse med den totala förbrukningen. Enligt datablad för IMU- enheten förbrukade sensorerna 0,9 mA respektive 1,25 mA vid olika
prestandainställningar. Detta kunde verifieras med de tester som gjordes. Det som förbrukade den största strömmen i kretsen var Bluetooth-enhetens MCU och periferienheter. Vid fortsatt utveckling av prototypen bör därför stor fokus läggas på att optimera programmeringen av prototypens MCU. Något som upptäcktes under testerna var att prototypen ständigt sökte efter en mobil att parkoppla till.
Genom att programmera in en timerberoende uppvakning (watchdog) skulle strömförbrukning kunna minskas, dock endast marginellt. På prototypen finns det idag ingen strömbrytare. Prototypen är ständigt påslagen när batteriet är inkopplat.
Med dessa metoder kan förmodligen en längre drifttid och en energisnålare produkt uppnås.
