Режимы сна и энергосбережение

Рано или поздно, в любом из проектов изобретатель сталкивается с проблемой автономности. Не всегда хочется держать подключенным к розетке устройство, которое большую часть времени работы ничего не делает. Например, для умной теплицы нужно время от времени получать данные о температуре, влажности и включать системы автополива. Но ведь абсолютно не обязательно получать измерения каждую секунду, вполне достаточно измерений раз в несколько минут, потому как погода (температура и влажность) и другие подобные показатели изменяются не быстро. И получается что больше 95% времени плата потребляет электричество впустую.

Для подобных и аналогичных случаев существуют специальные режимы энергопотребления контроллера, которые позволяют значительно снизить энергопотребление платой во время простоя. Эти режимы называются режимами сна, и их несколько - названия и отличия приведены ниже:

• IDLE (режим ожидания) - в данном режиме приостанавливается работа процессора, но другие компоненты остаются работать (такие как сторожевой таймер, таймеры и счётчик millis(), прерывания, интерфейсы SPI, UART, I2C. Это самый «неэкономный» режим сна. Его основное преимущество - он сохраняет самую большую функциональность.
• ADC (режим подавления шумов АЦП) - данный режим доступен только для микроконтроллеров, имеющих АЦП
• PWR_SAVE (режим сохранения энергии) - в данном режиме продолжают работу сторожевой таймер, сравнение адреса I2C устройств, внешние прерывания и таймер.
• STANDBY (режим ожидания) - один из самых экономичных режимов энергопотребления. Рекомендуется использовать, только если имеется внешний резонатор.
• PWR_DOWN (режим пониженного энергопотребления) - самый экономичный режим потребления энергии. в данном режиме продолжают работу сторожевой таймер, сравнение адреса I2C устройств и внешние прерывания.

Синтаксис описания перевода контроллера в сон и подключения прерываний довольно сложный, и зачастую вызывает появление ошибок и нежелание работать с этими режимами. Очень хорошо, что была написана дополнительная библиотека для ардуино, упрощающая подключение режимов и прерываний. Скачать библиотеку Sleep_n0m1 можно на ресурсе гитхаб или по ссылке ниже:

Библиотека Sleep_n0m1

В данном примере демонстрируется введение контроллера в режима сна PWR_DOWN на заданное количество времени.

Работает скетч следующим образом. В основном цикле выполняются команды (в частности вывод надписей в сериал-монитор). Вы можете добавить свои команды, например, измерение температуры.

Для данного примера нам потребуется только контроллер. Результат работы мы сможем наблюдать в мониторе Serial-порта.

#include <Sleep_n0m1.h> //подключение библиотеки

Sleep sleep; //объект для работы с режимами сна
unsigned long sleepTime; //переменная для задания времени сна

void setup(){

  Serial.begin(9600); //инициализация монитора Serial-порта
  sleepTime = 10000; //время сна в милисекундах, максимальное время сна 49.7 дней
}

void loop() {

  delay(100); //задержка для того чтобы успеть вывести информацию в сериал порт
  Serial.println("Execute your code here"); //вывод надписи "Ваш код запускается здесь"

  Serial.print("Sleeping for "); //вывод надписи "сон на ..."
  Serial.println(sleepTime); //вывод количества времени сна
  delay(100); //задержка для того чтобы успеть вывести информацию в сериал порт

  sleep.pwrDownMode(); //установка режима сна PWR_DOWN
  sleep.sleepDelay(sleepTime); //заснуть на указанное время
}

В данном примере контроллер будет введёт в сон, пока не возникнет внешнее прерывание. Простейший способ вызвать прерывание, это послать любые данные в монитор сериал-порта. Выводы прерывания на контроллере Smart UNO - это цифровые выводы 2 и 4. Поэтому нужно взять один провод папа-папа и соединить цифровые выводы 0 и 2 на контроллере.

Загрузите скетч на контроллер:

#include <Sleep_n0m1.h> //подключение библиотеки для режимов сна

Sleep sleep; //объект для ввода контроллера в сон

#define intPin 2 //пин прерывания

void setup(){

   Serial.begin(9600); //Инициализация монитора порта
}

void loop(){

  delay(100); //задержка для того чтобы успеть вывести информацию в сериал порт
  Serial.println("Execute your code here"); //вывод надписи "Ваш код запускается здесь"

  Serial.print("Sleeping for "); //вывод надписи "сон на ..."
  Serial.println("Sleeping Till Interrupt"); //вывод надписи "Сон до прерывания"
  delay(100); //задержка для того чтобы успеть вывести информацию в сериал порт

  sleep.pwrDownMode(); //установка режима сна PWR_DOWN

  //Сон будет продолжаться пока на выводе intPin не поменяется уровень сигнала
  //В данном случае "LOW" - это состояние 0.
  sleep.sleepPinInterrupt(intPin, LOW); //(номер вывода прерывания, состояние прерывания)
}

После того как контроллер уйдёт в сон (информация об этом появится в мониторе Serial-порта), вывести его из сна можно только с помощью внешнего прерывания. Чтобы создать его искусственно, нужно передать в сериал-порт любую информацию, например, передать единицу:

После этого цикл loop запустится заново.

В данном примере формируется минипроект - часы с будильником. Часы показывают время на черырёхразрядном индикаторе. У устройства имеется кнопка - которая переводит контроллер в режим сна до следующей минуты, устанавливая на часах будильник на следующую за текущей минуту. Индикацией установки будильника служит появление на индикаторе надписи «ALAR» - от английского alarm (будильник). Для демонстрации того, что устройство находится в режиме сна, на дисплей выводится информация в виде четырёх тире (- - - -). По пробуждению, дисплей снова отображает время.

Библиотеки

Помимо библиотеки для работы с режимами сна, понадобятся библиотеки для часов и модуля индикатора. Их можно загрузить со страниц в Базе Знаний: Модуль часов PCF8563 и Модуль 4 - разрядного индикатора

Скетч для загрузки

#include "SevenSegmentTM1637.h" //подключение библиотеки для работы с дисплеем
#include "SevenSegmentExtended.h" //подключение расширенных функций дисплея
#include <Wire.h>  //библиотека для работы с I2C
#include <Rtc_Pcf8563.h> //библиотека для работы с часами
#include <Sleep_n0m1.h> //подключение библиотеки для режимов сна

const int wakeUpPin = 3; //вывод прерывания
const int button = 6; //вывод подключения кнопки

Rtc_Pcf8563 rtc; //инициализация часов
SevenSegmentExtended display(13, 12); //создание объекта дисплея
Sleep sleep; //объект для ввода контроллера в сон

void setup() {
  display.begin(); //инициализация дисплея
  display.setBacklight(100); //установка яркости в 100%
  display.print("INIT"); //отображение надписи INIT (инициализация) на дисплее
  delay(1000); //задержка в 1 секунду
  pinMode(button, INPUT); //режим вывода кнопки

}

void loop() {

  rtc.getTime(); //получение времени с часов
  byte hour = rtc.getHour(); //запись в переменную количество часов
  byte minute = rtc.getMinute(); //запись в переменную количество минут
  display.printTime(hour, minute, false); //вывод времени

  if (digitalRead(button)) { //была нажата кнопка

    set_alarm(minute); //установить будильник

    display.print("----"); //вывести четыре тире, означающие что контроллер спит

    sleep.pwrDownMode(); //установка режима сна PWR_DOWN

    //сон будет продолжаться пока на выводе wakeUpPin не поменяется уровень сигнала
    //в данном случае с "HIGH" на "LOW"
    sleep.sleepPinInterrupt(wakeUpPin, FALLING); //(номер вывода прерывания, состояние прерывания)

    //очистка будильника
    clr_alarm();
  }
}

/* Процедура очищает регистры будильника на часах.
 *  Требуется для корректной работы модуля часов.
 */
void clr_alarm() {
  detachInterrupt(1); //отключить прерывание номер 1 (вывод контроллера - 3)

  rtc.clearAlarm(); //очистить будильник
  delay(1000); //секундная задержка
}

/* Процедура устанавливает будильник на часах на одну минуту больше.
 *  Здесь можно устанавливать будильник на любое время методом setAlarm(), 
 *  который принимает четыре параметра:
 *  - минуты будильника
 *  - часы будильника
 *  - день будильника
 *  - день недели будильника
 *  Если любое из значений равно 99 - значит берется значение текущего времени.
 */
void set_alarm(const int& minute) {

  rtc.setAlarm(minute + 1, 99, 99, 99); //установка будильника на одну минуту

  display.clear(); //очистить дисплей
  display.print("ALAR"); //вывести надпись ALAR (ALARM)
  delay(1000); //подождать секунду
  display.clear(); //очистить дисплей
}