Managing Energy Consumption with Hardware

Arduino Uno je v prvom rade prototypovacia platforma na rýchly návrh a vývoj riešení. Z pohľadu práve šetrenia energie nie je ideálnym predstaviteľom. Ako bolo ukázané už v predchádzajúcej kapitole, nie len mikrokontrolér samotný, ale hlavne doska obsahuje komponenty, ktorá majú priamy dopad na spotrebu energie. V tejto kapitole si jednotlivé komponenty predstavíme ako aj to, aký vplyv na majú na spotrebu energie.

Arduino Components

Prototypovaciu dosku Arduino Uno by je možné rozdeliť do troch hlavných častí:

• jadro alebo mikrokontrolér
• napájacia časť
• komunikačná časť

The Microcontroller

Jadrom dosky je samozrejme mikrokontrolér ATmega328P. Označenie 328P znamená sprava doľava:

• P znamená picoPower. Takto označený mikrokontrolér je vhodný pre zariadenia s nízkym odberom.
• 8 znamená, že sa jedná o 8 bitový mikrokontrolér.
• 32 znamená, že mikrokontrolér má k dispozícii 32kB pamäte na program.

Jedným z atribútov picoPower architektúry je, že umožňuje vypínať jej prídavné moduly, čím je možné zvýšiť výdrž batérie. Tieto možnosti boli ilustrované v predchádzajúcej kapitole (napr. prechod do režimu spánku, zníženie frekvencie a podobne). Okrem toho je tento mikrokontrolér charakteristický tým, že vie pracovať pri napájaní v rozsahu od 1.8V do 5.5V.

Power Supply

Pokiaľ neuvažujeme referenčné napätie, je možné prototypovaciu dosku Arduino Uno napájať z dvoch externých zdrojov a to pomocou:

• USB portu, alebo
• DC jack-u

Napájanie prostredníctvom USB portu je privedené na dosku priamo. To znamená, že ak náhodou prostredníctvom USB portu privediete vyššie napätie ako je 5V (maximálne dovolené napätie je 5,5V), môžete Arduino zničiť. Napäťové regulátory sa totiž nachádzajú za DC jack-om. Tie slúžia na to, aby v prípade vyššieho napájacieho napätia (max. 20V) bolo zabezpečené, že sa na dosku dostane maximálne 5V.

Stabilizátor používaný na prototypovacej doske Arduino Uno je štandardný LM7805 ¹. Tento stabilizátor sa používa už mnoho rokov na stabilizáciu napájacieho napätia 5V. Na vstupe potrebuje mať napätie aspoň 7V a pre svoju vlastnú potrebu spotrebuje 5 až 8 mA. Čím vyššie napätie však bude privedené na vstup stabilizátora, tým väčšie straty bude mať. Nadbytočná energia je prevádzaná na teplo, čo znamená, že stabilizátor sa pri vyšších napätiach bude prehrievať. Preto je ideálne Arduino Uno napájať cez DC jack s napätím blízkym 7V.

Výkon, ktorý sa premení na teplo, je možné jednoducho vypočítať pomocou tohto vzťahu:

$P_{wasted} = (V_{in} - V_{out}) * I$

Z tohto vzťahu vyplýva presne to, čo bolo uvedené vyššie - čím vyšší je rozdiel vstupnýho a výstupného napätia, tým väčšie straty budú (ako aj teplo).

Principiálna schéma zapojenia stabilizátora LM7805 sa nachádza na obrázku XXX.

Existujú však stabilizátory, ktoré sú označené ako LDO (Low Drop-Out), porpípade Ultra LDO. Tieto stabilizátory pre svoju potrebu potrebujú výrazne menší prúd v porovnaní so stabilizátorom LM7805. Napríklad stabilizátor MCP1703 ² má úbytok napätia do 1V a pre svoju spotrebuje potrebuje 2 mikroAmpére (parameter označený ako Quiescent Current). Stabilizátory rady TPS783xx³ majú úbytok napätia okolo 150mV a vlastnú spotrebu 500nA.

Ako je vidieť, zvýšiť výdrž IoT zariadenia, ktoré je postavené na prototypovacej doske Arduino Uno by bolo možné aj výmenou stabilizátora. Tým, že je však stabilizátor pevnou súčasťou dosky, to nie je možné.

Communication Part

Prototypovacia doska Arduino Uno je vybavená čipom ATmega16U2, ktorý slúži ako prevodník medzi USB a sériovou linkou. Tá sa používa jednak na komunikáciu medzi doskou Arduino a pripojenými zariadeniami, ale aj na programovanie mikrokontroléra ATmega328P.

Pokiaľ je Arduino Uno napájané z USB portu, samozrejme nedochádza k žiadnym stratám. Čip však nedisponuje žiadnymi opatreniami na úsporu energie. To znamená, že aj keď nebude prebiehať žiadna komunikácia na sériovej linke, bude čip odoberať elektrickú energiu. Jeho odpojením v takomto stave by bolo možné rapídne znížiť spotrebu celej dosky.

¹. LM7805 Datasheet - https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/LM7805.pdf ↩

². MCP1703 Datasheet - http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22049e.pdf ↩

³. TPS783xx Datasheet - http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps783.pdf ↩