Stromsparmaßnahmen für die MicroPython-Firmware im Batteriebetrieb

Andreas · June 20, 2019, 10:44pm

Was ich hierzu noch im Hinterkopf hatte: Set Level of GPIO at sleep. Es scheint eine Funktion rtc_gpio_set_level() zu geben. Kann man damit etwa mit der RTC-Einheit emulieren, was wir gerade mit dem Hinzufügen des Pullup erreicht haben oder ist das kompletter nonsense?

weef · June 21, 2019, 12:18am

emulieren? wie kommst Du denn dadrauf? ;) nein. rtc_ meint in diesem Kontext die “backup domain” oder “RTC domain”, eben alles, was im deep sleep noch mit Strom versorgt wird. Einige GPIOs sind in der backup domain, daher lassen sich deren level und states ‘einfrieren’ vor und für den deep sleep.

Sollte der PD_SCK also an einem in der RTC domain befindlichen GPIO sein, könntest Du das auch in sw machen. Wenn aber extern dann auch noch ein PU ist, dann liegen die parallel, und je nach Wert des externen Widerstands wird der Gesamt-R vielleicht zu klein für den ESP32 und seine Fähigkeit, diesen pin dann auch noch nach LOW zu ziehen.

Interne pull-ups (und -downs) sind ‘weak’ und schwanken in weiten Bereichen auch im gleichen device: ab 20k bis 80k oder manchmal 100k findet man. Ein externer Widerstand dazu sollte also auch weak sein, also hier nie kleiner als 20k, besser 50k oder 100k, fast egal. Auch 1M gehen, sind aber nicht allzu störfest.

Auf diese Weise würde ein ausreichend großer externer PU nie stören, wenn eine entsprechende Funktion in der fw dennoch eingebaut wäre; die fw kann von der Annahme ausgehen, daß es egal ist, ob ein externer R an PD_SCK ist oder nicht, sobald die von Dir erwähnte Funktionalität erschlossen sein sollte.

Solange das nicht der Fall ist, oder PD_SCK an einem nicht in der backup domain befindlichen GPIO: dann hilft hier nur ein externer weak pull-up.

Andreas · June 21, 2019, 1:04am

Danke, @weef!

GPIO state im deep sleep einfrieren

Herzlichen Dank für die genaue Beschreibung und die Aufklärung über RTC == “backup domain”. So in der Art meinte ich das, “emulieren” war unglücklich gewählt, weil mir der passende Jargon und v.a. das Fachwissen leider gänzlich fehlt.

Wir könnten also alternativ zum externen Pullup anstreben, jenes Feature hier zu benutzen?

Zusammenspiel zwischen internem “hold” und externem PU

Praktisch!

Fazit

Ich würde das softwareseitig so erschließen, wenn niemand Veto einlegt. Hardwareseitig: Kümmern sich diejenigen um dieses Detail, die hier mitlesen und sich zuständig fühlen? Danke!

weef · June 21, 2019, 1:06am

Voraussetzung dafür ist, daß PD_SCK an einem der genannten GPIO ist:

Andreas · June 21, 2019, 1:08am

Das sind laut Angabe also P2-P20 modulo P5, P7, P11 und P12.

=> Scheint so:

github.com

hiveeyes/terkin-datalogger/blob/0.4.0/settings.example-bob.py#L96-L102


      
          'hx711': {
              'address': 0x00,
              'pin_dout': 'P22',
              'pin_pdsck': 'P21',
              'scale': 4.424242,
              'offset': -73000.0,
          },

Damit hätten wir also vermutlich “How could this ever have worked?” bestens aufgeklärt. Danke!

clemens · June 21, 2019, 3:02pm

Würde ich erst mal mit Vorsicht genießen die Aussage! Den ADS und auch den HX711 nutze ich ohne externe pull-ups! Beim ADS hatte ich den Stromverbrauch gemessen und der war ok, was ich damals - mehr aus Vorsicht als aus Wissen gemacht habe - den ADS mit einem normalen Pin mit Strom versorgt, dann kann man den kompletten Zweig abschalten. Meinen HX711 mit dem ESP8266 bzw. ESP32 und dem C-Code muss ich nochmal durchmessen!

Doof sind immer Pins, die high einen sleep mode oder “ausgeschaltet” triggern. Diese brauchen dann für unsere Verhältnisse recht viel Strom.

Andreas · June 21, 2019, 3:05pm

Die Aussage ist natürlich völliger Schrott, mea culpa.

Vielen Dank für diese Erklärung, @weef. Irgendwann kann ich sogar die Hardware verstehen.

Andreas · June 21, 2019, 3:31pm

Also: Noch nicht ganz. Die Frage “Wie das jemals hatte funktionieren können???” ist weiterhin ungeklärt, ich habe jedoch Vermutungen. Dazu will ich kurz stichpunkthaft Bilanz ziehen. Vielleicht fällt Euch ja was dazu ein.

Einleitung

Nachdem @clemens oben schrieb, dass der HX711 nicht bzw. v.a. auch die Wägezelle in unserem aktuellen FiPy-Setup nicht stromlos wird, war ich davon ausgegangen, dass das in den frühen Open Hive Implementierungen der Fall war und entsprechend überprüft wurde.
Nun stellte sich heraus, dass

@clemens:

[Nur] beim ADS hatte ich den Stromverbrauch gemessen und der war ok. […] Meinen HX711 mit dem ESP8266 bzw. ESP32 und dem C-Code muss ich nochmal durchmessen!
Bei den frühen Open Hive Implementierungen wurden niemals externe pull-ups verwendet.

@clemens:

Den ADS und auch den HX711 nutze ich ohne externe pull-ups!

Nanu?

HX711 power down control (Hardware)

Gute Recherchen im Datenblatt des HX711 auf Seite 5 haben folgendes ergeben.

Wir nehmen hier also mit:

HX711 power down control (Software)

Weitere gute Recherchen haben ergeben, dass diese Spezifikation so nicht im kanonischen Treiber für die Arduino-HAL implementiert ist, zumindest nicht exakt so.

github.com

bogde/HX711/blob/0.7.2/src/HX711.cpp#L266-L269


      
          void HX711::power_down() {
          	digitalWrite(PD_SCK, LOW);
          	digitalWrite(PD_SCK, HIGH);
          }

Andreas · June 21, 2019, 3:45pm

Wie kann es also theoretisch funktioniert haben? (Falls überhaupt, wahrscheinlicher ist es nach dem aktuellen Stand der Erkenntnisse, dass es nicht funktioniert hat).

Wir fassen nochmals komprimierend-schlußfolgernd zusammen:

@clemens hatte keine externen pull-ups. Die verwendete MCU war ein AVR.
Die Software implementiert die Einschlafspezifikation unzureichend.
Für ordentliches Power Saving sollte PD_SCK auch im Deepsleep-Modus auf HIGH gehalten werden, was am pragmatischsten mit einem externen pull-up implementiert wird.
Wahlweise kann aber auch ein MCU-interner PU verwendet werden, wenn er in der dessen RTC-Domäne liegt und entsprechend konfiguriert wurde, den Zustand auch im Deepsleep-Modus einzufrieren (hold).

Nochmal komprimierter:

Der Softwaretreiber implementiert den Einschlafvorgang nur unzureichend.
Die Hardware fehlt augenscheinlich.

Meiner Meinung nach kann es an dieser Stelle also nur funktioniert haben, wenn - nachdem PD_SCK auf HIGH gezogen wurde - die MCU mindestens 60 us braucht um einzuschlafen und danach irgendein pull-up (sei es extern oder intern) übernimmt, der PD_SCK dauerhaft auf HIGH hält.

Das kann nicht anders sein, weil der Aufwachvorgang definitiv durch PD_SCK auf LOW determiniert ist:

When PD_SCK returns to low, chip will reset and enter normal operation mode.

An dieser Stelle ist auch die Implementierung korrekt:

github.com

bogde/HX711/blob/0.7.2/src/HX711.cpp#L271-L273


      
          void HX711::power_up() {
          	digitalWrite(PD_SCK, LOW);
          }

Andreas · June 21, 2019, 3:53pm

Nun meine eigentliche Frage zur vermuteten Folgerung:

Kann es sein, dass auf dem Breakout-Board (oder nur auf bestimmten?) ein entsprechender pull-up verbaut ist? Das würde nach dem aktuellen Stand der Recherchen für mich absolut Sinn machen und wäre gleichzeitig die letzte Hoffnung für eine entsprechende Erklärung, wie es überhaupt funktioniert haben könnte.

Ansonsten bleibt nur:

Andreas · June 21, 2019, 4:14pm

Eines jener Yaks

ist also immer noch nicht ganz geschoren.

Körper

Danke @weef. Softwareseitig haben wir diesen Teil ja nun drin:

github.com

hiveeyes/terkin-datalogger/blob/578c4e9700dd1c36f6b8f8d60082bb8e69dacb2a/lib/hx711.py#L152-L162


      
          def power_down(self):
              """
              When PD_SCK pin changes from low to high and stays at
              high for longer than 60µs, HX711 enters power down mode.
              """
              log.info('HX711 power down')
              state = disable_irq()
              self.pSCK.value(False)
              self.pSCK.value(True)
              utime.sleep_us(80)
              enable_irq(state)

Beine und Hintern

Dies ist uns glücklicherweise möglich, da

und die

erfüllt ist, siehe oben bei Stromsparmaßnahmen für die MicroPython-Firmware im Batteriebetrieb - #63 by Andreas.

Herkunft des Yaks: Annapurna. Digitales Abbild: File:Bos grunniens at Letdar on Annapurna Circuit.jpg - Wikipedia

MKO · June 21, 2019, 4:48pm

So Konnte jetzt mal den WiPy im Deep Sleep mit allen Sensoren Messen. Im Deep Sleep braucht er mit dem pullup im Deep Sleep 320μA ohne pullup 8,7mA.
ob die 80ns in der Software sind oder nicht ist egal.

Die 320μA Teilen sich wie gefolgt auf:

171μA für die 6 DS1820
98 μA HX711
29 μA BME280
22 μA WiPY 3.0

Mehr können wir denke ich nur noch Sparen, wenn wir den ganzen 3,3V Zweig mit einer FET Schaltung wie die hier von @Andreas angefragt und von @clemens schon angedeutet .

mit einem beliebigen Pin Ein und ausschalten.
Pxx False = 3V3 Aus
Pxx True = 3V3 An

Muß mal schauen ob ich noch ein paar kleine MOSFET in der Grabbelkiste finde.
Vielleicht baue ich die Schaltung mal auf.

Ich denke aber, da wir den Deep Sleep beim FiPy nicht mal ansatzweise Erreichen, sollten wir uns besser erstmal darauf konzentrieren.
Irgendwas Läuft da intern auf alle fälle voll Durch, was beim WiPy nicht vorhanden ist.

MKO · June 21, 2019, 6:42pm

Was ich hier noch als Thema fürs Strom sparen vermisse ist die Zeit in dem der Node wach ist.
Lässt diese sich evtl verkürzen? wenn wir jezt beim WiPy schauen ist der Unterschied Wach und Schlafmodus in einem so großen Verhältnis, das es evtl nur ein paar Sekunden mehr Gesammt-Laufzeit bringt im Schlafmodus Strom einzusparen. aber es bringt bestimmt Einige Stunden - Tage oder sogar Wochen , wenn man den Wachzustand verkürzt.
Gibt es da eine Möglichkeit?
Kann man einige Sachen parallel oder im Hintergrund laufen lassen? z.B. WLAN Starten und die Sensoren hochfahren und danach erst testen ob die Verbindung geklappt hat. Die Einstellungen der DS1820 zwischenspeichern um nicht jedes mal nachfragen zu müssen Wer und wo bist Du.

Oder Sensoren die recht lange zum starten brauchen, sich aber nur recht langsam die Werte ändern oder nicht so interessant sind nur jedes 2. bis 3. mal auszulesen und zu übertragen.

Andreas · June 21, 2019, 8:00pm

Hi Michael,

merci fürs Dranbleiben.

FiPy-Peripherie komplett abschalten

Ja, das sehe ich auch so. Vermutlich ist es das LTE-Modem. Eine verlässliche Quelle berichtete mir:

Strom sparen durch Laufzeitoptimierung

Absolut. Selbst wenn es im Vergleich dann nicht mehr so signifikant viel am Stromverbrauch einsparen wird, würde ich das alleine aus Laufzeitoptimierungsgründen exakt so tun.

Erstmal müssen wir aber die deutlich teurere Peripherie abschalten – Pflicht vs. Kür ¹.

Grundsätzlich würde ich aber sehr sehr gerne die Verarbeitung von Teilen der verschiedenen Subsysteme im Hintergrund erledigen. Durch das wunderbare FreeRTOS unter der Haube und die Ausführung per Threads innerhalb von Python ist das grundsätzlich voll erschlossen, will dann aber natürlich auch ordentlich koordiniert werden, damit das Gesamtsystem weiterhin robust bleibt.

Ich hoffe das passt für Dich.

Viele Grüße,
Andreas.

¹ An den Spruch “premature optimization is the root of all evil” muss ich mich manchmal auch diszipliniert selbst halten - mag er auch manchmal nicht angebracht sein (Ausnahmen bestätigen die Regel). Selbstverständlich immer mit Augenzwinkern ;].

– http://wiki.c2.com/?PrematureOptimization

P.S.: Neulich schonmal bei… ;]

Andreas · June 21, 2019, 8:13pm

Running with `lte.deinit()` before deep sleep

Einleitung

Dies hier sieht nicht schlecht aus: Knapp 18 Stunden Laufzeit hat der Kleine hinter sich und immer noch 3.6V, wenn wir mit der Batteriespannungsmessung (Batterieüberwachung, voltage divider und attenuation für MicroPython-Firmware - #71 by roh) nun alles richtig gemacht haben. Bei mir ganz ohne SIM-Karte im Slot, was ja auch noch ein fraglicher Aspekt bei der Angelegenheit ist.

Daten

amo-fipy-testbench with lte.deinit().

Datenherkunft

Das Gerät ist weiterhin jenes, das oben bei Akkulaufzeit malen und beobachten ins Spiel kam – ohne jegliche Peripherie, auf dem Expansion Board – daher zwar nicht unbedingt repräsentativ für den eigentlichen Einsatz, als Vergleichsobjekt aber gerade für die aktuellen Aufgaben hervorragend geeignet.

Commit

Andreas · June 21, 2019, 8:55pm

@clemens meinte dazu vorhin noch, dass man mit den Ergebnissen noch vorsichtig sein sollte (wie immer! ;]), weil sich der LiPo vielleicht erst durch ein paar Ladezyklen warmlaufen muss, damit er seine volle Kapazität entfalten kann. Ist da was dran?

MKO · June 21, 2019, 10:35pm

@Andreas haben wir es den schon mit

Ich habe eben oben noch aufgeschnappt, das es nach aktivierung des “Fly-Mode” und evtl der Anrufsperre dennoch klappt.
Habe aber noch nicht gefunden wie ich ihn aktivieren könnte.
Der Flymode klingt auf alle fälle sehr logisch, das er das Problem umschiffen könnte, da ich weiß, das bei einem “normalem” Handy in diesem Modus die Sim abgeschaltet wird.
Ein Handy ist ohne Sim oft kaum zu bedienen im Flymode aber nahezu problemlos. Einen versuch wär es sicher wert.

Andreas · June 21, 2019, 11:06pm

Hi Michael,

Bei diesem Beitrag im Pycom-Forum geht es vor allem um ein spezielles Deepsleep-Board, das bei erwähnten frühen Hardware-Versionen einer Reihe von Pycom Geräten als Workaround nötig war.

Der FiPy ist von diesem Problem nicht betroffen.

Trotzdem kann sich in dem Beitrag das ein oder andere verirrt haben, was mit dem FiPy zu tun hat und uns weiterhilft, man muss aber ordentlich differenzieren, weil andere durch die Umstände ebenfalls manchmal verwirrt sind. Einen vorgefilterten Einblick vermittelt LTE-Modem des Pycom FiPy komplett stilllegen.

Hatte ich auch irgendwo gestreift, danke. Hast Du vielleicht noch den Direktlink im Tab?

Viele Grüße,
Andreas.

weef · June 21, 2019, 11:16pm

Das galt mal und gilt bei NiCd und NiMH, aber nicht mehr bei Lithium-Systemen. Es ist kein priming oder Formieren mehr nötig.

Wichtiger wäre höchstens, daß ein Akku für derart kleine Entladeströme und solche kleiner Kapazität zu Beginn seines Einsatzes einmal einige Minuten lang 0,5C oder 1C Entladestrom gesehen hat, wenn er die gesamte Zeit danach mit nur 0,01C oder noch viel weniger entladen wird. Aber selbst ohne so eine Prozedur kommt der Akku klar, da er ja zwischen seinen Schlafphasen kurzzeitig auch mal größere Ströme liefern muß (je nach Funk-Interface oder zu speisenden Sensoren).

Hier die beiden Entladekurzen mal mit gleichem Anfang, und was ich hier sehe, ist ganz klar ein Fortschritt:

fipy-moll

Aber es gibt offenbar keine ordentliche Abschaltung, unter 3,3V kommt keine Energie mehr aus dem verwendeten Akku, außerdem leidet er durch Entladung unterhalb Entladeschlußspannung (im Bild roter Punkt) und dankt das mit permanent verringerter Speicherfähigkeit und verkürzter Haltbarkeit - aber das Thema gehört auch woanders hin, und wissen auch alle eh ;) …

Leider weiß ich nicht genau, wo das Ding mißt, denn über 4,2V an dieser zelle sind unplausibel (das ist über Ladeschlußspannung), oder sie wäre Dir schon ‘entgegen gekommen’…

Andreas · June 21, 2019, 11:46pm

Das müssen wir noch in die Firmware einbauen, steht im Backlog. Oder ist dafür normalerweise eine Hardwarekomponente zuständig?

Dachte ich mir auch schon. Ich gehe bei der nächsten Runde wieder von 11dB runter auf 6dB Dämpfung am VCC-ADC, ich glaube da waren die Werte plausibler. Quatsch oder Nonsense? :P

Werte plausibler mit 6dB Dämpfung am VCC-ADC.

Proof.

https://swarm.hiveeyes.org/grafana/d/-jm-KRVWz/amo-fipy-testbench-power?orgId=2&from=1560887000566&to=1560990656090

Stromsparmaßnahmen für die MicroPython-Firmware im Batteriebetrieb

GPIO state im deep sleep einfrieren

Zusammenspiel zwischen internem “hold” und externem PU

Fazit

Einleitung

Nanu?

HX711 power down control (Hardware)

HX711 power down control (Software)

Eines jener Yaks

Körper

Beine und Hintern

FiPy-Peripherie komplett abschalten

Strom sparen durch Laufzeitoptimierung

Running with lte.deinit() before deep sleep

Einleitung

Daten

Datenherkunft

Commit

Running with `lte.deinit()` before deep sleep