La course à la consommation moindre

À quoi bon avoir un module autonome capable de détecter l'ouverture d'une porte si ce dernier demande à être rechargé toutes les semaines et donc retiré momentanément de son service ?

Il est donc essentiel que les modules capteurs de OpenAlarm soit très peu gourmand en énergie.

Le microcontrôleur central des OpenAlarm Node dispose d'un BOD (Brown-out Detection permettant de détecter une tension d'alimentation faible, très utile pour éviter les erreurs d'exécution du micrologiciel embarqué), sans BOD activé, il est possible de descendre la consommation à 5µA, en l'activant, on perd 20 µA mais avec une sécurité supplémentaire, si la tension descend en dessous du seuil configuré, l'AVR entre en veille, garantissant le bon fonctionnement général du programme.

Une solution intéressante aurait été de pouvoir désactiver le BOD durant les périodes de veille via un appel de fonction (sleep_bod_disable()), malheureusement, c'est uniquement possible sur les AVR suffixés d'un P comme Picopower et aucun AVR Mega intégrant un contrôleur USB ne fait parti de cette famille...

Une vue de la consommation pendant une phase d'émission, on remarque un pic de consommation à gauche au moment de la sortie de veille et les pics de conso lors de l'émission du module radio à droite :
TEK00000.PNG

LDO

Un régulateur LDO (Low DropOut) permet de travailler avec une tension d'entrée proche de celle en sortie, il permet dans la node OpenAlarm l'alimentation du montage en convertissant le 5V du port USB en 3.3V.

Dans le design de Martin, au choix, il est possible d'intégrer un MCP170X ou un XC2606 (même brochage) mais dans les 2 cas, j'ai eu quelques soucis...

Le MCP1700 / MCP1703 induit un courant de fuite et la consommation monte en flèche (voir les articles de Martin à ce sujet : High sleep current issue with Funky v2 sorted out, Funky v2’s LDO to blame for high sleep current. Now fixed et Every μA counts).

Le XC6206 est le plus intéressant car il induit une perte de seulement 10µA, ainsi, à 4V, sans LDO, l'AVR en veille, la carte ne consomme que 5.5µA, avec le LDO, on passe à 15µA...

Afin d'éviter un courant de fuite s'échappant via le LDO lors de l'utilisation sur batterie, une idée serait de mettre une diode Schottky (diode à faible chute de tension) en sortie du régulateur, mais il faut qu'elle est des caractéristiques qui nous conviennent bien, c'est à dire une tension directe la plus faible possible et un courant de fuite le plus faible possible (un article à ce sujet Reverse diode current), une diode ayant des caractéristiques intéressantes est la RB751S40 avec vf ~ 300mV et un courant de fuite de 300nA.

Les tests avec cette diode se sont montrés concluants, elle est donc embauchée pour cette tâche !

Mosfet

Le Mosfet est uniquement utilisé pour réduire le courant au démarrage en désactivant le RFM, il est activé une fois l'AVR démarré via logiciel.

Article de Martin à ce sujet : Funky v2 rev 1

Ma version

Basé sur mes tests, j'ai décidé de faire une version légèrement différente pour les OpenAlarm Node :

  • Réduire au maximum la taille
  • Intégrer le port USB dans le PCB afin de gagner en taille / épaisseur / cout (on verra ce que ça donne au niveau solidité mais ayant déjà cassé un port physique sur un Funky, je doute que cela soit pire)
  • Dissocier la partie alimentation du Node en lui même, selon moi, le type d'alimentation dépend avant tout de l'utilisation finale qui va en être fait, exemple :
    • Un Node situé à proximité immédiate d'une source de courant n'a pas besoin d'emmener avec lui des régulateurs ("step-up" comme dans le Funky).
    • Je souhaite alimenter mon module avec une batterie au plomb de 12V, idem, pas besoin de composant en plus
    Au final, les OpenAlarm Node sont conçu afin de pouvoir supporter des cartes filles qui pourront intégrer une partie pour la gestion de l'alimentation.
  • Ajouter une LED afin d'en avoir 2 (rouge et verte), pratique pour indiquer des états sur nos capteurs
  • Des points d'accroches sécables
  • Les broches des ports accessibles facilement en périphérie de la carte au pas de 2.54mm

Voici le schéma de principe qui diffère assez peu de celui des Funky v3 (ajout d'une diode après le régulateur LDO et d'une LED) :
schema.png

Et le PCB, recto / verso :
pcb.png

Une vue 3D à l'échelle avec une pièce de 1 euro :
gerber.png

On remarque le port microUSB réalisé directement dans le PCB, ce dernier faisant 0.8mm d'épaisseur.

Le circuit est légèrement plus petit que le Funky v3 et il est simple d'accéder au broches des ports qui sont matérialisés par les 14 pads à droite et à gauche de la carte.

Le bouton de reset est placé sur la gauche, les leds sont à droite du connecteur USB.

Et la base ?

Oui, c'est bien beau d'avoir des modules autonomes de détection mais où est la base recevant les informations des Nodes ? Et bien, pour le moment, il n'y en a pas ! Il suffit d'utiliser un Node branché directement sur le port USB d'un PC (RaspberryPi par exemple) et voilà, nous avons notre base...

Cette solution à beaucoup d'avantages (cout, facilité, etc...) et n'empêche en rien de créer une base par la suite, elle permet surtout d'avoir quelque chose de fonctionnel malgré le temps dont je ne dispose pas toujours pour avancer sur le projet.

Où en est-on ?

Les PCB sont en cours de fabrication, puis, viendra la phase d'assemblage des cartes, de tests et enfin, un nouvel article...

En attendant, tout est disponible sur GitHub !

Compléments d'informations