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Aplicando conceitos de economia em microcontroladores

Este post faz parte da série Projeto IoT portátil. Leia também os outros posts da série:

Agora que já sabemos calcular a autonomia e o que é sleep em microcontroladores, vamos começar a idealizar e praticar nosso projeto portátil usando conceitos de economia em microcontroladores. A série pretende mostrar os conceitos aplicados para aumentar a duração de baterias, logo, pode ser aplicada em qualquer projeto. Então o projeto que será feito aqui é algo básico apenas para demonstração prática.

Vamos criar um sensor de temperatura e umidade que irá enviar os dados para uma planilha excel online (será nosso banco de dados) e assim vamos conseguir desenhar o gráfico de temperatura/umidade para o determinado local automaticamente.

Exemplo de gráfico de temperatura/umidade para aplicar conceitos de economia em microcontroladores.
Figura 1: Exemplo de gráfico de temperatura/umidade.

Especulando a duração da bateria

Entendendo o caso: Nosso projeto será apenas um logger de temperatura/umidade que irá ler os dados do sensor a cada 5 minutos. Entre esse tempo o microcontrolador entrará em modo de economia (sleep) para aumentar o tempo de duração da bateria.

O projeto irá consumir uma determinada corrente por um determinado tempo, ou seja, precisamos de outra fórmula para encontrar a corrente (consumo) média do nosso projeto, visto que a fórmula apresentada na primeira parte é uma conta simples.

Ao usar os diversos modos de economia presente no microcontrolador, a corrente média será dada pela média ponderada dos modos (consumo X tempo).

Cm = \frac{C1*P1 + C2*P2 + ... Cn*Pn}{P1+P2+...Pn}

Para encontrar o Consumo médio (Cm), basta fazer o consumo (Cn) do modo de operação pelo tempo do modo de operação (Pn). Em nossa primeira especulação que irá dar um “norte” ao projeto, serão dois consumos diferentes, que são: Ativo e Deep Sleep.

Consumo médio em transmissão WiFi: 150mA

Consumo médio Deep Sleep: 15uA

Tempo em transmissão: 1 segundo

Tempo em Deep Sleep: 300 segundos

Cm = \frac{0.15*1 + 0.000015*300}{1+300} Cm \approx 513uA

Obs: Os valores inseridos foram um pouco maiores, admitindo erros do sistema e pensando no “pior caso”, visto que ainda iremos calcular o tempo real de processamento, que dará mais precisão à autonomia real, podendo ser menor ou maior.

Agora que temos o consumo médio do projeto, podemos aplicar o consumo para dimensionar a bateria corretamente. Nesse projeto não temos horas mínimas de funcionamento, logo, pretendemos descobrir apenas quanto tempo a bateria já escolhida irá aguentar (para efetuar trocas ou etc). Para isso vamos usar a fórmula indicada na primeira parte da série.

Capacidade da bateria (18650): 3000 mAh

Consumo médio do projeto: 513 uA

T = \frac{3}{0.000513} T \approx 5848 Horas

Para conseguirmos comparar esse tempo, vamos fazer a conta de duração em que não foram aplicados os conceitos apresentados nesta série. Veja na conta acima onde aplicamos Deep Sleep e compare com os valores abaixo, onde não é aplicado nenhum método de baixo consumo (sleep).

Capacidade da bateria (18650): 3Ah

Consumo médio do projeto: 90mA

T = \frac{3}{0.09} T \approx 33 Horas

Podemos observar como os modos de sleep aumentaram incrivelmente a duração de bateria, que nesse caso teve um aumento de ~175x, chegando em ~243 dias! Agora você pode estar se perguntando: “Posso aumentar mais a economia?” Sim e será mostrado mais a frente.

Na próxima parte desta série vamos finalmente “botar a mão na massa” programando o ESP32 e montando nosso protótipo para refazer as contas e chegar no consumo real do circuito.

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