Сокращение энергопотребления в подводной робототехнической лаборатории на базе Linux

В ELCE Брент Роман из MBARI объяснил, как он урезал мощность, чтобы поддерживать на океанографическом устройстве отбора проб на базе Linux до шести месяцев работы на D Cells.

На прошлой октябрьской европейской конференции по встраиваемым Linux-технологиям Брент Роман, инженер по встраиваемому программному обеспечению в Научно-исследовательском институте аквариума в Монтерее-Бей (MBARI), рассказал о двухдесятилетней эволюции управляемого процессором сэмплера (ESP) MBARI под управлением Linux.
Уроки Романа по снижению энергопотребления на удаленном устройстве с сенсорным управлением применимы к широкому кругу удаленных проектов Интернета вещей.
Домашний урок: речь идет не только об экономии энергии на устройстве, но и о каналах связи.


Брент Роман из MBARI рассказывает о развертывании лаборатории ESP в заливе Монтерей

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

ESP предназначен для быстрого выявления потенциальных опасностей для здоровья, таких как цветение токсичных водорослей.
Устройство для микробиологического анализа заякорено в открытом море и пришвартовано на глубине от двух до 30 метров, где обычно водоросли находятся.
Затем он выполняет химические и генетические анализы проб воды.
Результаты передаются по кабелю с использованием RS-232 на модем 2G, установленный на поплавке, который передает данные обратно на берег.
В океанографических лабораториях по всему миру существует 25 блоков ESP, четыре из которых в настоящее время развернуты.

На протяжении многих лет Роман и его команда пытались снизить энергопотребление, чтобы продлить время между дорогостоящими посещениями сайта.
Первоначально батареи работали всего около месяца, но со временем это было продлено до шести месяцев.

До ESP единственным способом определения количества и типов водорослей в заливе Монтерей, а также того, выделяют ли они нейротоксины, было взять образцы с лодки и затем вернуться на берег для исследования.
Анализ занял несколько дней с момента отбора проб, и к тому времени экосистема, включая людей, уже может быть в опасности.
Беспроводная автоматизированная система отбора проб ESP обеспечивает намного более раннее предупреждение, а также позволяет проводить более широкие океанографические исследования.


Брент Роман показывает внутреннюю работу устройства ESP

(нажмите на картинку, чтобы увеличить)

Разработка ESP началась в 1996 году, с первоначального тестирования в 2002 году. Ключевым нововведением стала разработка системы, которая координирует обработку фильтров одинакового размера, хранящихся на карусели.
«Некоторые шайбы фильтруют сырую воду, некоторые сохраняют образцы, а другие облегчают обработку для генетической идентификации», - сказал Роман. «Мы создали робота, который действует как музыкальный автомат для перемещения этих шайб».

Данные, передаваемые обратно в штаб-квартиру, состоят из монохромных изображений образцов.
«Фидуциарные отметки позволяют нам сопоставлять пятна со специфическими водорослями и другими видами, такими как глубоководные бактерии и патогены человека», - сказал Роман.

Блок ESP состоит из 10 небольших серводвигателей для управления музыкальным автоматом, а также восьми поворотных клапанов и 20 электромагнитных клапанов.
Он работает полностью на батареях 360 D Cell.
«Ячейки D действительно плотны по энергии и имеют столько же энергии на ватт, сколько Li-Ion, но гораздо безопаснее, дешевле и более пригодны для вторичной переработки», - сказал Роман.
«Но общий энергетический бюджет по-прежнему составлял 6 кВт часов».

Первоначальная система, выпущенная в 2002 году, работала под управлением Linux 2.4 на компьютере-модуле Technologic Systems TS-7200 с процессором ARM9 200 МГц, оперативной памятью 64 МБ и флэш-памятью NOR 16 МБ.
Чтобы продлить срок службы батареи, Роман сначала сосредоточился на снижении мощности нагрузки отдельного микроконтроллера, который приводил серводвигатели.

«Когда мы начали строить систему в 2002 году, мы обнаружили, что для микроконтроллеров, которые были разработаны для сервоприводов постоянного тока, требовались шины, такие как CAN и RS-485, с потребляемой мощностью покоя в диапазоне мощности», - сказал Роман.
«С 10 сервоприводами мы имели бы нагрузку в 10 Вт, что быстро унесло бы наш энергетический бюджет.
Таким образом, мы разработали наш собственный микроконтроллер, использующий многоканальную шину I2C, мощность которой снизилась до 70 мВт на каждые два двигателя, или менее половины ватта для управления двигателем ».

Даже в этом случае общее энергопотребление ESP в режиме ожидания 3 Вт ограничило время перезарядки устройства до 70 дней вместо первоначальной 180-дневной цели.
Сначала 70 дней было достаточно.
«Нам повезло, если мы продержались несколько недель до того, как что-то заклинило или протекло, и нам пришлось выйти и починить его», - сказал Роман.
«Но через несколько лет он стал более надежным, и нам потребовалось больше времени автономной работы».

Основная проблема заключалась в том, что устройство использовало значительную мощность, чтобы система частично не спала.
«Мы должны дождаться прибытия водорослей в ESP, что означает ожидание, пока датчики не сообщат нам, что мы должны взять образец», - сказал Роман.
«Кроме того, если ученые заметят возможное цветение водорослей на спутниковой фотографии, они могут захотеть включить радиоустройство, чтобы запустить образец.
Игра в ожидание убила нас ».

В 2014 году MBARI обновил систему для работы с Linux 2.6 на плате с более низким энергопотреблением PC / 104, которую они разработали самостоятельно.
В плату интегрирован более эффективный модуль Embedded Artists LPC3141 с процессором ARM9 270 МГц, оперативной памятью 64 МБ и NAND 256 МБ.


Embedded Artists LPC3141

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

Дизайн ESP остался прежним.
Последовательная шина I2C соединяется с сервоконтроллерами, которые отключаются во время простоя.
Три канала RS-232 подключаются к датчикам, а также обмениваются данными с модемом поплавка мощностью 500 мВт.
«RS-232 потребляет очень мало энергии, и вы можете запустить его за рекомендуемые пределы на расстоянии до 20 метров», - сказал Роман.

В 2014 году, когда они установили более энергоэффективный носитель с поддержкой LPC3141 в качестве замены для замены, время простоя компьютера сократилось с почти 2,5 Вт до 0,25 Вт.
В целом, система ESP упала с 3 Вт до 1 Вт в режиме ожидания, что продлило срок службы батареи до 205 дней, или почти до семи месяцев.

ESP входит в более грубую воду

Залив Монтерей достаточно защищен, чтобы позволить швартовку ESP примерно на 10 метров ниже поверхности.
Однако в более открытых местах океана устройство должно сидеть глубже, чтобы избежать «ударов от волн», сказал Роман.

MBARI сотрудничал с другими океанографическими исследовательскими институтами для соответствующей модификации устройства.
Например, Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI) начал развертывание ESP у побережья штата Мэн.
«WHOI нужно было больше швартовки примерно на 25 метров ниже поверхности», - сказал Роман.
«Проблема заключалась в том, что водоросли все еще находились над ним, поэтому они использовали эластичный резиновый шланг для откачки воды в ESP».

Большее расстояние потребовало переключения с RS-232 на DSL, что увеличило потребление энергии на холостом ходу до более чем 8 Вт.
«Даже когда мы модернизировали эти устройства с помощью процессорной платы с более низким энергопотреблением, они снизились только с 8 Вт до 6 Вт, или только на 60 дней», - сказал Роман.

У Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, была похожая проблема, поскольку они запускали ESP в открытых прибрежных водах Тихого океана.
Скраппс также выбрал эластичный шланг, но вместо DSL использовал более энергоэффективный RS-422.
Он шел дальше, чем RS-232, поддерживая как 10-метровый эластичный шланг, так и 65-метровую связь с поплавком.

RS-422 потребляет больше тока, чем RS-232, однако, ограничивая их до 85 дней.
Роман обдумывал план подвешивания образа процессора в ОЗУ.
Однако, поскольку процессор уже был очень энергоэффективным, «энергия, которую вы используете для обновления образа ОЗУ, составляет довольно большую часть от общего объема, поэтому мы получили бы только 15 дней», - сказал Роман.
Он также рассмотрел возможность приостановки на диск, но решил не делать этого из-за проблем с износом флэш-памяти и того факта, что используемое ими ядро ​​Linux 2.6 ARM не поддерживало спящий режим диска.

В конечном счете, компромиссы в функциональности были необходимы.
«Для Scripps мы включили питание всей системы, основываясь на времени, а не на входе датчика, поэтому мы могли отключить питание до получения радио-команды», - сказал Роман.

Из-за необходимости держать радио включенным, даже это дало энергию, достаточную только на 140 дней.
Роман покопался в наборе команд AT модемов 2G и обнаружил опцию глубокого ожидания, которая по существу использует модемы в качестве пейджеров.
Решение уменьшило мощность с 500 МВт до 100 МВт для модема или 200 МВт в целом.

Вашингтонский университет предложил совершенно другое решение для более глубокого швартовки ESP.
«Вместо того чтобы использовать дорогой эластичный шланг, они опробовали 40-метровый кабель Cat5 на поверхности, обеспечив соединение Ethernet, которое было более чем в 100 раз быстрее, чем RS-232», - сказал Роман.
Однако для этой настройки потребовался компьютер с обоих концов, а также сотовый маршрутизатор, который добавил 2-3 Вт.

Затем Роману пришла в голову идея передавать сигналы USB через Cat5, избегая необходимости в дополнительных компьютерах и маршрутизаторах, и в то же время поддерживая широкополосную связь.
Для этого развертывания он использовал USB-удлинитель Icron 1850 Cat5, который, по его словам, надежно работает на расстоянии более 50 метров.
Удлинитель добавляет 400 мВт, плюс еще 150 мВт для концентратора на ESP.

Роман также рассказал о будущих планах по сбору энергии для перезарядки батарей.
Пока что установка солнечной панели на поплавок представляется наилучшим решением благодаря простоте обслуживания.
Недостатком солнечной панели является то, что ветер может легче опрокинуть поплавок.
Большой поплавок может помочь.

Подводя итог всем этим проектам, Роман пришел к выводу, что снижение энергопотребления было более сложной проблемой, чем они предполагали.
«Мы очень беспокоились об активном потреблении, но должны были потратить больше времени на пассивное, что мы наконец-то решили», - сказал Роман.
«Но реальный урок состоял в том, как важно смотреть на энергопотребление связи».

Для получения дополнительной информации, смотрите полное видео ниже:

Видео: «Управление подводной роботизированной лабораторией с фиксированным бюджетом энергии»

Эта статья защищена авторским правом © 2017 Linux.com и была первоначально опубликована здесь .
Он был воспроизведен этим сайтом с разрешения его владельца.
Пожалуйста, посетите Linux.com для получения последних новостей и статей о Linux и open source.