การเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับโครงการรวบรวมข้อมูลที่ดำเนินการโดยแบตเตอรี่

ฉันวางแผนที่จะวัดระดับน้ำในบ่อน้ำซึ่งอยู่ลึกประมาณ 10 ม. พร้อมระดับน้ำสูงสุดไม่เกิน 5 ม. แผนของฉันคือการใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิค HC SR04เพื่อวัดความลึกส่งผ่าน ZigBee ไปยัง Raspberry Pi ภายในบ้านของฉัน

ตามที่กล่าวไว้ใน คำถามก่อนหน้านี้ฉันต้องเลือกตัวควบคุมขนาดเล็กเพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์อัลตร้าซาวด์และโมดูล ZigBee ด้วยกัน

พารามิเตอร์สำหรับการเลือกคือ:

1. พลังงานต่ำ: ฉันกำลังวางแผนที่จะเรียกใช้งานบนแบตเตอรี่ดังนั้นการใช้พลังงานต่ำจึงมีความสำคัญ ณ ตอนนี้ฉันไม่มีเป้าหมายสำหรับการใช้พลังงานหรือวันระหว่างการเปลี่ยนแบตเตอรี่หรือแม้กระทั่งแบตเตอรี่ที่จะใช้ เนื่องจากนี่เป็นโครงการการเรียนรู้มากกว่าและอยู่ในบ้านของฉันฉันมีความยืดหยุ่น แต่การใช้พลังงานที่ต่ำกว่าดีกว่า

2. ราคาถูก: นี่เป็นโครงการเรียนรู้สำหรับฉันและฉันไม่ต้องการใช้เงินจำนวนมากในเรื่องนี้ดังนั้นต้นทุนที่ต่ำลงจึงดีกว่า

3. การทำงานภายในบ่อน้ำ: โครงการทั้งหมดจะทำงานจากภายในบ่อน้ำและจะต้องเผชิญกับแสงแดดและฝนที่ตกหนัก ฉันจะให้กรณีและการป้องกันที่ดี

4. ง่ายต่อการเขียนโปรแกรม

ฉันเลือก ZigBee เพราะเรียบง่ายตรงกับกรณีการใช้งานและพลังงานต่ำ แต่ความต้องการของฉันคือการขนส่งข้อมูลเซ็นเซอร์และฉันเปิดไปที่การขนส่งอื่น ๆ ระยะทางจากบ่อน้ำของฉันถึงราสเบอร์รี่ Pi อยู่ประมาณ 6 เมตรมีกำแพงกั้นอยู่ระหว่างนั้น ฉันวางแผนที่จะวัดความลึกของน้ำทุกๆ 10 นาทีและสองครั้งต่อนาทีเมื่อปั๊มน้ำทำงาน (ประมาณ 20 นาทีต่อวัน)

กระบวนการทั่วไปของการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์

1. สรุปความต้องการของคุณที่มีต่อไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัวอย่างเช่นในกรณีนี้:

   • 1 ตัวจับเวลาฮาร์ดแวร์เพื่อวัดเวลาระหว่างทริกเกอร์และเสียงสะท้อน
   • GPIO 2 พินเพื่อเชื่อมต่อเซนเซอร์ Echo และพินทริกเกอร์
   • อาจเป็นUARTเพื่อเชื่อมต่อโมดูลการสื่อสาร RF
   • 1 อินพุต ADCเพื่อตรวจสอบแรงดันแบตเตอรี่

   
   คุณสามารถใช้งานร่วมกับคอนโทรลเลอร์ 8 พินได้ซึ่งอาจต้องใช้ขาโปรแกรมเมอร์เพื่อวัตถุประสงค์ทั่วไปเช่นกัน

2. ตัดสินใจที่จำเป็นต้องใช้ประสิทธิภาพของ CPUและหน่วยความจำความต้องการ มันเพียงพอที่จะใช้ 8-bit MCU หรือคุณต้องการ 32- บิตหนึ่งแทน? ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU ใดที่ยอมรับได้สิบ MHz หรือ 1 MHz ก็เพียงพอแล้ว จำเป็นต้องใช้หน่วยความจำของโปรแกรม, RAM และ ROM เท่าไร?

   เมื่อพิจารณาจากแอปพลิเคชันที่อธิบายไว้คุณไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง อาจเป็นตัวควบคุม 8 บิตจะพอเพียง (แม้ว่าจะไม่ถูกกว่า 32 บิตมากนักดังนั้นคุณสามารถตัดสินใจเลือกราคาได้ที่นี่)

3. พลังงานต่ำ เมื่อไม่สำคัญคุณสามารถใช้คอนโทรลเลอร์เกือบทุกชนิดโดยใช้โหมดพลังงานต่ำที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดและความถี่สัญญาณนาฬิกาของระบบ หากมีความสำคัญยิ่งขึ้นคุณสามารถเริ่ม จำกัด รายการค้นหาของคุณให้แคบลงโดยเริ่มจากคอร์ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำโดยเฉพาะเช่น (ARM®Cortex®-M0 หรือ M0 + คอร์ CPU) โดยปกติแล้วแผ่นข้อมูลประกอบด้วยตารางสำหรับโหมดพลังงานต่ำ / VCC / SysClk ความถี่ส่วนใหญ่คนที่ดีกว่าจะแสดงรายการปริมาณการใช้อุปกรณ์ต่อพ่วงแต่ละตัวเช่นกัน

4. เครื่องมือสำหรับนักพัฒนา ฉันคิดว่ามันเป็นสิ่งสำคัญมาก เครื่องมือโปรแกรมเมอร์ฮาร์ดแวร์โดยเฉพาะสามารถค่าใช้จ่ายโชคชะตาดังนั้นฉันมักจะติดกับ MCU ที่ฉันมีโปรแกรมเมอร์มาแล้ว เมื่อคุณเปลี่ยนไปใช้ตระกูลอื่นหรือแบรนด์อื่นคุณควรลงทุนในคณะกรรมการพัฒนาที่มีโปรแกรมเมอร์ในตัวซึ่งสามารถใช้ในภายหลังเพื่อตั้งโปรแกรมบอร์ดที่คุณกำหนดเองได้ โดยทั่วไปควรตรวจสอบก่อนว่าราคาเท่าไรจึงจะสามารถดาวน์โหลดโปรแกรมไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์

ในฐานะที่เป็น @Sean ได้ชี้ให้เห็นในความคิดเห็นวิธีการแก้ปัญหาที่เป็นไปได้และประหยัดค่าใช้จ่ายคือการค้นหาโมดูล RF ดังกล่าวที่มาพร้อมกับแอปพลิเคชัน MCU แบบรวมโปรแกรมซึ่งสามารถเรียกใช้เฟิร์มแวร์ของคุณ มีโมดูลดังกล่าวสำหรับ BLE, WiFi และ ZigBee และอาจเป็นไปได้สำหรับเทคโนโลยีอื่น ๆ อีกมากมาย

นอกจากนี้เกี่ยวกับวิธีการที่ MCU จะอยู่รอดได้ดี ทุกอย่างจะลงมาบนกล่องหุ้มที่คุณเตรียมไว้สำหรับอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่นมันจะไม่สำคัญว่า MCU ตัวไหนที่คุณจะเลือกถ้ากล่องหุ้มนั้นไม่กันน้ำได้ 100%

TL; DR; ที่นี่ส่วนเฉพาะของผลิตภัณฑ์มา

1. คุณสามารถเลือกATtiny25ซึ่งมีราคา0.87 $ / 1 ชิ้นที่ Farnell 8-bit, 8-pin ดังนั้นจะไม่ใช้พื้นที่มาก ในโหมดปิดเครื่องจะใช้ 0.2 μAกับ watchdog ที่ปิดใช้งานที่ 3 V. 2-4 μAหากเปิดใช้งาน watchdog มันเข้ากันได้กับ Arduinoดังนั้นการเขียนโปรแกรมจะไม่เสียค่าใช้จ่ายมากนัก (USBasp หรือ AVRdude โปรแกรมเมอร์เสียค่าใช้จ่ายประมาณ 2 $ บน eBay) ( หมายเหตุ : คุณควรใช้ Arduino ซอฟท์แวห้องสมุดอนุกรมเพื่อเชื่อมต่อโมดูลการสื่อสาร RF เป็น MCU นี้มีเพียง SPI ฮาร์ดแวร์.) ทั้งหมดในทุกมันมีขนาดเล็กราคาถูก, มีการใช้พลังงานค่อนข้างต่ำ แต่บิตกระแทก UART อาจแม้ว่ามันจะซับซ้อน มีหน่วยความจำโปรแกรม 2 kB ซึ่งควรจะเพียงพอสำหรับคุณ

2. หรือไปกับ ARM Cortex M0 ซึ่งกิน 2 μAในโหมดสแตนด์บายและ 5 μAในโหมด Stop MCU ดังกล่าวเป็นตัวอย่างSTM32F030F4ซึ่งค่าใช้จ่าย1.09 $ / 1 ชิ้น มันเป็นคอนโทรลเลอร์แบบ 32 บิตที่ทรงพลังกว่าพร้อมด้วยความถี่สัญญาณนาฬิการะบบสูงสุด 48 MHz แต่คุณสามารถดูได้เพียง + 0.2 $ มันมาพร้อมกับหน่วยความจำโปรแกรม 16 kB ซึ่งมากพอสำหรับงานง่าย ๆ นี้ มันมี SPI, UART, I2C และอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่น ๆ อีกมากมาย การเขียนโปรแกรมมันจะมีค่าใช้จ่ายมากขึ้นโปรแกรมเมอร์เฉพาะราคา 20 $ ที่ Farnell ในความคิดของฉันไม่คุ้มค่า แต่คุณสามารถลงทุนในคณะกรรมการพัฒนาการสำหรับครอบครัว F0 ที่มีโปรแกรมเมอร์ on-board (ST-LINK) STM32F0 การค้นพบบอร์ดราคา~ 10 $. คุณสามารถเริ่มต้นแบบกับบอร์ดนี้และใช้เป็นโปรแกรมเมอร์ในภายหลัง

ดูความง่ายในการเขียนโปรแกรมและราคาถูกฉันอาจเริ่มต้นด้วยโมดูล Arduino บางชนิด (หรือโคลนราคาต่ำ) รหัสสำหรับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิคของคุณมีอยู่แล้วเช่นเดียวกับโค้ดตัวอย่างสำหรับ ZigBee เช่นใช้โมดูล Digi XBee ในส่วนหลังคุณเชื่อมต่อ XBee เข้ากับพอร์ตอนุกรมและหลังจากทำการเชื่อมต่อกับอินเตอร์เฟสคำสั่ง "AT" เก่าที่น่าเคารพคุณจะมีช่องสัญญาณแบบจุดต่อจุดที่คุณสามารถส่งข้อความใด ๆ ลงไปที่ Raspberry Pi ของคุณ ) ZigBee ไม่ใช่การสื่อสารระยะสั้นที่ถูกที่สุด แต่โมดูล XBee ได้ลดลงตามราคาจริงในระยะ 5 ปีที่ผ่านมา

ฉันรู้ว่าบางคนมีปัญหากับภาษา C / C ++ ที่ใช้บน Arduino แต่ในกรณีนี้คุณส่วนใหญ่จะรวมเข้าด้วยกันสคริปต์ที่มีอยู่แล้วจากผู้ใช้รายอื่น

หากคุณเข้าสู่ Google สำหรับ "Arduino sleep mode" คุณจะพบตัวอย่างว่าคุณสามารถทำให้ Arduino เข้าสู่โหมดพลังงานต่ำได้อย่างไรและตื่นขึ้นมาเป็นระยะเพื่ออ่านหนังสือสื่อสารจากนั้นเข้าสู่โหมดสลีปอีกครั้ง