DHT и глубокий сон: датчик на батарейке

Метеоточка в теплице на Arduino Uno держалась от кроны ровно десять часов, и это была самая короткая жизнь проекта в моей практике. Схема работала безупречно: датчик раз в две секунды, печать в монитор, всё по правилам. Но Uno — не про батарейки: стабилизатор, USB-чип и бортовой светодиод L съедают 45–50 миллиампер даже когда скетч спит. Крона на 500 мА·ч при таком аппетите — это арифметика для третьего класса, а не проект. От USB-питания я уходил в уроке про питание без USB, и там уже было видно: батарейное приложение живёт по другим законам.

Спасение называется глубокий сон. Контроллер засыпает так, что от него остаётся единицы микроампер, просыпается по будильнику, делает дело — измерить, отправить, посчитать — и снова в сон. Прибор проводит во сне 99,9 % времени, и средний ток падает в тысячу раз. В этом уроке посчитаем бюджет батарейки по-честному, с токами каждой статьи расхода, найдём узкое место, которым окажется не контроллер, и соберёт симулятор, где бюджет можно крутить кнопкой.

Глубокий сон — это режим power-down самого чипа: остановлены ядро, тактовые генераторы, большая часть периферии, просыпается только Watchdog-таймер или прерывание. Отличие от delay принципиальное: delay — это занятое ожидание на полном ходу, все 15–20 миллиампер налицо; power-down опускает голый ATmega328P до десятых долей микроампера. На практике берут Arduino Pro Mini 3,3 В и выпаивают или обводят стороной стабилизатор со светодиодом питания — остаётся около 5 мкА. Уроки о пробуждении по часам уже ждут в разборе watchdog и сна.

Сначала прикинем худший случай, чтобы понимать масштаб. Пусть Uno бодрствует 200 миллисекунд на цикл, читает датчик, отправляет данные и засыпает «как умеет» — то есть на тех же 45 мА. Средний ток почти не отличим от полного: 45 мА круглосуточно съедят крону за полсуток, три АА на 2500 мА·ч — за двое суток. Вывод неутешительный и однозначный: батарейный проект начинается с платы без светодиодов и стабилизатора, а не с оптимизации скетча. Мои замеры токов разных плат и правда о саморазряде — в уроке про бюджет тока проекта.

Считается бюджет в три строчки. Скважность duty — доля активной фазы: 200 мс делить на период. Средний ток — смесь сна и бодрствования: ток сна умножить на время сна плюс ток активности на время активности. Срок — ёмкость батареи делить на средний ток. Период 10 минут, активная фаза 200 мс при 15 мА, сон 5 мкА: duty выходит 0,033 %, средний ток — около 55 мкА, и три АА по 2500 мА·ч дают арифметических 1894 суток, почти пять лет.

А теперь фокус, который я узнал, потеряв неделю на оптимизацию не того конца. Удлиним сон до 30 минут — срок вырастет с 1894 до 2016 суток, плюс шесть процентов. Причина в таблице выше: после десятиминутного периода главным едоком становится ток покоя DHT22 — его 40–50 мкА снуют в землю больше, чем весь спящий контроллер. Сон дольше 10 минут для этой схемы почти ничего не даёт. Решение — обесточивать сам датчик: DHT22 на измерении ест 1–1,5 мА, а пин Arduino отдаёт до 40 мА, поэтому датчик питают прямо с цифрового пина: перед измерением HIGH, после — LOW, и во сне жрут только 5 мкА контроллера. Тогда срок упирается уже в саморазряд батареи, а не в электронику.

Обратная сторона обесточивания — прогрев. DHT22 после подачи питания требует до двух секунд, чтобы показания стали осмысленными, а интервал между запросами у него свой, из урока про интервал опроса. Будите питание датчика первым делом, потом делайте остальные дела активной фазы, и читайте сенсор последним — эти две секунды перекроются передачей данных. Место для уличной метеоточки и защита сенсора от конденсата разобраны в уроке про установку DHT22.

Движок симулятора не эмулирует сон — микросхему сна он не рисует, и это честно: сон проверяется мультиметром на живой плате. А вот арифметика бюджета — вычисления, и в симуляторе ей самое место. Ниже скетч-калькулятор: на каждом такте он изображает активную фазу — вспышка светодиода, чтение датчика, печать показаний — и печатает бюджет для выбранного периода сна. Кнопка на пине 3 переключает период по кругу: минута, десять минут, тридцать минут.

Смотрите, как реагируют строки iavg_ua= и days=: на минутном периоде средний ток около 100 мкА и арифметика обещает тысячу с лишним суток; на десяти минутах ток падает до 55 мкА, срок прыгает к пяти годам; на тридцати — выигрывается всего пара процентов, потому что дальше платит ток покоя датчика. Числа в мониторе — точь-в-точь расчёт из раздела выше, только теперь его можно вертеть руками. О том, что саморазряд батарейки съест все многолетние обещания, напомню один раз: арифметика показывает потолок схемы, батарея ставит свой.

Следующий шаг — будить плату по расписанию похоже на настоящие часы: RTC-модуль умеет прерывание раз в минуту или в час, а точность хода и подстройка — в уроке про точность DS3231. Если данные пора показать миру, тот же батарейный каркас дружит с радио и облачными протоколами — стартовая точка в уроке про публикацию показаний по MQTT.

И последний совет из практики: прежде чем прятать метеоточку в теплицу на полгода, дайте ей пожить на столе неделю с этим же калькулятором в мониторе. Подставьте в скетч ток, измеренный вашим мультиметром на настоящей плате, — моя первая Pro Mini после выпайки светодиода показала 6 мкА вместо обещанных пяти, и бюджет честно пересчитался. Арифметика из урока — карта, мультиметр — территория, и сверять одно с другим — привычка, которая отличает работающий проект от работающего на бумаге.