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优化树莓派功耗

 
当 Raspberry Pi 单板计算机于 2012年 首次发布时,我怀疑很多人是否考虑过 Pi 在完全离网环境中的实用性,尤其是考虑到当时的电池技术状况。
物联网
快进到今天。虽然我们还没有精确地制造家用核反应堆(目前),但我们确实可以使用强大的电池和太阳能技术以及在边缘计算场景中部署 Raspberry Pi 的新理由 。
 
为什么是树莓派?
有许多微控制器和精简的单板计算机 (SBC),例如 Raspberry Pi Zero  ,它们比完整的 Raspberry Pi 4 更节能。但就减少的特性和功能而言,这种效率会带来其自身的成本.
 
也许我们应该问的问题是,“我们到底为什么要远程部署 Raspberry Pi?”
 
答案?通常,你不会!
 
但是,这有一些合法的例外:
 
处理器功率
如果您正在 远程运行需要以最小延迟进行处理的机器学习模型,那么运行在 1.5GHz 的 ARM Cortex-A72 CPU 是难以匹敌的。特定的TinyML工作负载可以在 MCU 上以毫秒为单位运行,但如果您的项目需要执行机器视觉工作,则 SBC 更适合。
 
易于扩展
Pi HAT 生态系统已经成熟,并为几乎所有场景提供了生产就绪的扩展选项。举个例子 ,Blues Wireless的 Notecard 和 Notecarrier Pi HAT允许插入式蜂窝通信(空闲时功耗为 8mA),适用于远程数据中继是关键要求的场景。
 
Python
该 树莓派OS 附带了一个完整的Python分布。虽然 CircuitPython 和 MicroPython 对于大多数物联网项目是可以接受的,但一些 Python 库不支持这两个派生类。
 
电源优化技巧
Raspberry Pi 脖子上的锚点是其估计的 600mA 活动电流消耗。
 
以下是我们可以使用的一些技术,通过一些简单的配置更改将其缩减为可管理的值:
禁用 USB 控制器
估计省电:约 100mA。
 
如果您在无头配置中运行 Raspberry Pi,则可能不会为板载 USB 控制器供电。请注意,即使您不使用鼠标或键盘,它们仍然有电!
 
要禁用 Raspberry Pi 上的 USB 控制器,请执行以下命令:
 
echo '1-1' |sudo tee /sys/bus/usb/drivers/usb/unbind
然后在再次需要时重新启用 USB 控制器:
 
echo '1-1' |sudo tee /sys/bus/usb/drivers/usb/bind
重新启动后,USB 控制器将自动启用。
 
禁用 HDMI 输出
估计省电:约 30mA。
 
在无头配置中使用 Raspberry Pi 时,根据定义,您也不需要连接显示器。如果是这种情况,您也可以禁用 HDMI 输出。
 
要禁用 Raspberry Pi 上的 HDMI 输出,请执行以下命令:
 
sudo /opt/vc/bin/tvservice -o
然后,要在再次需要时重新启用 HDMI 输出,请使用以下命令:
 
sudo /opt/vc/bin/tvservice -p
与禁用 USB 控制器一样,重新启动后启用 HDMI 输出。
 
禁用 Wi-Fi 和蓝牙
估计省电:约 40mA。
 
如果您的解决方案不使用 Wi-Fi 或蓝牙,您也可以禁用它们。但是请注意,如果您同时禁用 HDMI、USB 和 Wi-Fi,您将无法与 Pi 连接!
 
要禁用 Wi-Fi 和蓝牙,请打开 /boot/config.txt,添加这些参数,然后重新启动:
 
[all]
dtoverlay=disable-wifi
dtoverlay=disable-bt
要重新启用 Wi-Fi 和蓝牙(或仅启用其中之一),只需从文件中删除参数并重新启动即可。
 
关闭 CPU
预计节电:根据应用而变化。
 
如果您不需要 Raspberry Pi CPU 的全部功率(无论如何,这对于许多远程监控情况来说都是多余的),您可以通过降低 CPU 的频率来节省几毫安。
 
例如,要将 CPU 时钟速度设置为最大 900MHz,您可以更新 /boot/config.txt 和更改以下参数:
 
[all]
arm_freq=900
arm_freq_max=900
您也可以玩的 core_freq_min,  over_voltage, over_voltage_min那些在有据可查和许多其它参数 树莓派的超频选项。
 
请注意,在某些情况下您可能看不到节能效果。例如,如果您的进程在较慢的时钟速度下运行时间较长,而在较快的时钟速度下运行时间较短,则您不会看到功耗的净变化。
 
禁用板载 LED
估计省电:约 10mA。
 
我们可以通过再次编辑/boot/config.txt 文件、添加以下内容并重新启动来禁用 Pi 上的板载 LED  :
 
[pi4]
# Disable the PWR LED
dtparam=pwr_led_trigger=none
dtparam=pwr_led_activelow=off
# Disable the Activity LED
dtparam=act_led_trigger=none
dtparam=act_led_activelow=off
# Disable ethernet port LEDs
dtparam=eth_led0=4
dtparam=eth_led1=4
请注意,这些配置特定于 Raspberry Pi 4 Model B;可以在此处/boot/config.txt 找到有关文件中可用变量的文档 。
 
永久更改(或重置为默认值)
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/boot/config.txt 重新启动后,对文件所做的任何更改都 将保留。如果您想在启动时发出 USB、HDMI、Wi-Fi 和蓝牙禁用命令,请编辑您的 .bashrc 文件并添加这些命令。
 
同样,删除您所做的更改并重新启动会将您的 Raspberry Pi 重置为默认状态。
 
补充电源
对于远程部署来说,最明显的提示可能是从太阳获得额外的能量。通过为您的 Raspberry Pi 添加一个合理大小的太阳能电池阵列,您可以显着延长电池寿命(甚至使其成为在充满阳光的环境中理论上完全可持续的解决方案)。
 
使用 PiJuice HAT 是一种向 Raspberry Pi 添加太阳能电池板的简单方法。它还提供了在预定义的电池充电水平下正常关机(和启动)的机制。
 
你可以看到在这个 Hackster 项目中使用的 PiJuice:  Solar-Powered Crypto Mining with Raspberry Pi。
 
数据:图像/svg+xml,%3Csvg%20xmlns='http://www.w3.org/2000/svg'%20viewBox='0%200%20800%20690'%3E%3C/svg%3E
PiJuice HAT、太阳能电池阵列和 Notecarrier Pi。资料来源:Rob Lauer,“使用 Raspberry Pi 进行太阳能加密挖矿”
或者,您可以使用带直通充电功能的 USB 移动电源。这允许移动电源为 Pi 供电,太阳能电池阵列同时为电池充电。
 
这种安排在另一个 Hackster 项目中进行了测试:  Remote Birding with TensorFlow Lite 和 Raspberry Pi。
 
用于 Raspberry Pi 的功率优化蜂窝网络
远程监控解决方案通常超出 Wi-Fi 等传统网络通信选项的范围。这就是 Blues Wireless 创建对开发人员友好的Notecard 为物联网解决方案提供具有成本效益的蜂窝网络的原因之一 。
 
数据:图像/svg+xml,%3Csvg%20xmlns='http://www.w3.org/2000/svg'%20viewBox='0%200%20900%20545'%3E%3C/svg%3E
信用:蓝调无线
Notecard 是一个 30 毫米 x 35 毫米的微型系统模块 (SoM),可随时通过其 M.2 连接器嵌入到项目中。为了使原型制作更容易,Blues Wireless 还提供了一系列扩展板(称为 Notecarriers)。
 
Notecarrier-Pi 充当 Notecard 的主机 HAT。它提供了 Raspberry Pi 和 Notecard 之间的接口。使用直通标头,它适合您使用的任何其他 Pi HAT(如上图的 PiJuice HAT)。
 
Notecard 的魅力可以归结为:
 
API 的简单性(JSON 输入和 JSON 输出)。
完全 SBC 和 MCU 兼容性的不可知性。
定价(10 年 49 美元和 500MB 数据)。
带有通过 VPN 隧道传输的加密流量的内置安全模型。
闲置时耗电 8mA
远程管理蜂窝连通性边缘计算

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