Die Überwachung externer Standorte ist eine typische IoT-Anwendung, doch die jeweilige Zielanwendung kann unterschiedlich sein. Manchmal ändern sich beobachtete Parameter nicht schnell und sind per se nicht kritisch, Geschäftsinhaber verlangen jedoch regelmäßige Aktualisierungen, z. B. alle paar Stunden. Nehmen wir als Beispiel einen „Baumsensor“, eine IoT-Lösung, die den Gesundheitszustand von Bäumen überwacht. Dies ist besonders für landwirtschaftliche Nutzflächen wie z. B. für Nussbaumplantagen interessant. Zu diesem Zweck wird ein batteriebetriebenes Sensor-IoT-Gerät an einem Referenzbaum angebracht, an dem verschiedene Umweltdaten zur Feuchtigkeit (bzw. Trockenheit) gesammelt werden, die für Plantagenbesitzer wesentliche Informationen liefern, um das Wachstum, den Ertrag usw. zu optimieren.
Typischerweise werden diese Baumsensoren dort eingesetzt, wo keine Stromversorgung und kein LAN verfügbar ist. Daher sollte ein IoT-Gerät für diese Art von Anwendungsfall über eine Batterie betrieben werden. Ein Mobilfunknetz stellt zudem sicher, dass es (fast) überall verwendet werden kann. Darüber hinaus sollte der Baumsensor über seinen gesamten Produktlebenszyklus auf einen „Zero-Touch“-Betrieb vorbereitet sein, d. h., er sollte zu 100 % wartungsfrei sein und über viele Jahre keinen Batteriewechsel und keine Aufladung benötigen. Das bedeutet, dass unser IoT-Sensor auf maximale Energieeffizienz ausgelegt sein sollte.
- ein Messgerät für den Füllstand eines Silos oder
- ein Flüssigkeitsdurchflusssensor, der die Auslastung meldet und auf Lecks in Leitungen hinweist oder
- Geräte für verschiedene Anwendungsfälle im Bereich der Überwachung und Objekterkennung oder
- ein Asset-Tracker, der die Geoposition wertvoller mobiler Objekt mitteilt
Dies sind typische „Push“-Anwendungen, bei denen das IoT-Gerät die meiste Zeit inaktiv ist und nur gelegentlich „aufwacht“, wenn es durch einen festen Zeitplan oder ein externes Ereignis ausgelöst wird. NB-IoT ist eine Mobilfunknetztechnologie (LPWAN = Low Power Wide Area Network), die speziell auf diese Art von Anforderungen ausgelegt ist, insbesondere, wenn stationäre IoT-Geräte für die unregelmäßige Übertragung kleiner Nutzdatenpakete verwendet werden.
Der Umweltsensorspezialist Sensirion bietet eine breite Produktpalette für eine Vielzahl von Parametern wie Feuchtigkeit, Temperatur, flüchtige organische Verbindungen (kurz: VOCs), NOx (Stickstoffoxid), Formaldehyd und CO2 an. Diese haben allesamt I2C-Schnittstellen für die einfache Integration in IoT-Geräte und Stromsparmodi für batteriebetriebene Anwendungen.
Zum besseren Schutz vor widrigen Umgebungsbedingungen sollte die NB-IoT-Antenne im Gehäuse des IoT-Geräts montiert werden. 2J Antennas bietet hierzu geeignete klebende und platzsparende Produkte für eine integrierte Lösung an.
Abbildung 1: Batteriebetriebener NB-IoT-Umgebungssensor – Blockdiagramm
Hinweis: SOS electronic ist qualifizierter Lieferant für Produkte von Quectel, Sensirion und 2J Antennas. Um das Angebot an stromsparenden IoT-Lösungen zu vervollständigen, bietet SOS electronic auch eine breite Palette an Lithium-Batterien von Fanso, Xeno und EVE an.
Design mit minimalem Stromverbrauch für NB-IoT und Quectel BC66
Um die Reduzierung des Stromverbrauchs von IoT-Geräten so weit wie möglich zu unterstützen, bietet die NB-IoT-Netzwerktechnologie eine effiziente Funktion für den Energiesparmodus (kurz: PSM), die es einem NB-IoT-Gerät ermöglicht, die meisten Teile der Netzwerkschnittstelle inkl. HF-Abschnitt des Transceivers für einen vorgegebenen Inaktivitätszeitraum abzuschalten.
Die Dauer dieses Intervalls wird durch den Netzwerk-Timer T3412 (auch bezeichnet als „TAU-Timer“) bestimmt, der hauptsächlich vom NB-IoT-Gerät verwendet wird, um ein regelmäßiges Tracking Area Update (TAU) durchzuführen. Dies ist eine Standard-LTE-Funktion, um die Verfügbarkeit eines Benutzergeräts in dem Verbindungsnetzwerk zu melden. Nachdem das Gerät erfolgreich mit dem Netzwerk verbunden wurde, bleibt es während der PSM-Intervalle angemeldet, die Übertragungsaktivität wird jedoch bis zum Ablaufen des T3412-Timers eingestellt. Längere PSM-Intervalle führen natürlich zu einem geringeren Stromverbrauch. Je nach IoT-Anwendungsfall liegt es nun beim Entwickler, den idealen Zeitraum zu bestimmen, in dem sein Gerät im PSM-Modus verbleibt. Gemäß 3GPP-Spezifikation kann T3412 für PSM-Intervalle von bis zu 413 Tagen (!) programmiert werden.
Abbildung 2: Zeitweise Geräteaktivität (vereinfacht)
In vorgegebenen PSM-Intervallen wird der gesamte Download-Verkehr an das angemeldete, aber nicht erreichbare IoT-Gerät, vom Netzwerk zwischengespeichert. Unser Designkonzept für ein batteriebetriebenes „Push“-Gerät basiert auf der Idee, dass alle lokalen IoT-Aktivitäten während eines einzigen periodischen Zeitfensters abgewickelt werden (siehe Abbildung 2), d. h. Sensormessung, Empfang anstehender Nachrichten (z. B. Benutzerbefehl zum Fernsteuerungsbetrieb), Übertragung von IoT-Nutzdaten.
Die meiste Zeit (ca. 99,99%) bleibt das Gerät im Tiefschlafmodus und verbraucht in dieser Zeit wenige µA. Nach dem Ablauf von Timer T3412 ruft das Quectel BC66-Modul gegebenenfalls anstehende Nachrichten aus dem Netzwerk ab. Falls Ereignisse empfangen werden, verbraucht das Modul rund 30 mA, im Falle von Uplink-Übertragungen sogar rund 200 mA bei 23dBm Ausgangsleistung. Im Laufe der Zeit werden die Häufigkeit und Dauer dieser kurzen Stromverbrauchsspitzen einen erheblichen Einfluss auf die Batterielebensdauer haben. Es ist nicht verwunderlich, dass eine Verdoppelung der Häufigkeit von Aktivitätsperioden (z. B. von einmal täglich auf zweimal täglich) die Batterielebensdauer um die Hälfte verkürzt.
Doch darüber hinaus gibt es viele weitere Aspekte, die zum Gesamtstromverbrauch des Geräts beitragen. Beispielsweise sind die Positionierung und Impedanzanpassung der Geräteantenne kritische Designaspekte, die sich erheblich auf die RF-Leistung auswirken. Eine Antennenanpassung ist erforderlich, um die Ausgangsleistung bei einer bestimmten NB-IoT-Trägerfrequenz zu maximieren. Im Allgemeinen wirkt sich der Standort des Geräts auf den Stromverbrauch aus, und die Entfernung zum verbundenen Mobilfunkmast sollte so kurz wie möglich sein, um die Signaleffizienz und -qualität zu maximieren. Dies ist ein kritischer Punkt, da der Betrieb von batteriebetriebenen Geräten bei Erweiterung des Abdeckungsbereichs (CE) Stufe 2 vermieden werden sollte. Diese NB-IoT-Funktion ist hilfreich, um eine Abdeckung in schwer zugänglichen Bereichen bereitzustellen, arbeitet jedoch mit Wiederholungen und zusätzlichen Fehlerkorrekturcodes, die den Nutzlastdaten-Overhead und die Übertragungszeiten drastisch erhöhen. Mit Blick auf die Bereitstellung ist es daher vorteilhaft, mit einem MVNO („virtueller“ Netzwerkbetreiber) zu arbeiten, der Ihnen eine ganze Auswahl von Netzwerken zur Herstellung der Verbindung ermöglicht, anstatt nur ein Netzwerk. Siehe Ref. 5 für weitere Erläuterungen zu diesen Themen.
Quectel BC66 bietet mehrere Optionen zur Unterstützung eines stromsparenden Gerätedesigns unter Nutzung der NB-IoT-PSM-Funktion an (siehe Ref. 2). Das IoT-Gerät kann das NB-IoT-Netzwerk per AT-Befehl dazu auffordern, in den PSM-Zustand zu schalten, wodurch das Gerät über das vorgegebene PSM-Intervall in den Tiefschlafmodus wechselt.
Im Tiefschlafmodus ist die UART-Schnittstelle nicht funktionsfähig und es gibt nur zwei Möglichkeiten, das Modul wieder in einen aktiven Zustand zu versetzen:
nach Ablauf des internen periodischen TAU-Timers oder durch ein externes Weckereignis.
Externe Weckereignisse zeigen sich durch ein Toggeln des PSM_EINT-Pins des Quectel BC66-Moduls. Diese Methode kann für ein vordefiniertes lokales Ereignis verwendet werden, z. B. für eine Schwellenwertüberschreitung (z. B. Sprachäußerung „es ist zu heiß“) oder wenn die Präsenz eines Objekts erfasst wurde. Dies ist eine weitere typische „Push“-IoT-Anwendung, die vom Quectel BC66 bzw. in Zusammenarbeit mit einem NB-IoT-Netzwerk bewältigt werden kann. Für unser Beispiel des „Baumsensors“ verwenden wir jedoch den erwähnten internen periodischen TAU-Timer zum Aufwachen.
Das Konzept für ein batteriebetriebenes „Push“-Gerät
Während vorgegebener PSM-Zeiträume sind alle Gerätekomponenten so konfiguriert, dass sie in ihren jeweiligen Ruhemodi mit extrem niedrigem Stromverbrauch arbeiten.
Der Feuchtigkeitssensor Sensirion SHT4x zieht beispielsweise maximal 1 µA. bei 25°C (siehe Ref. 4). Um eine lange Lebensdauer des IoT-Geräts zu erreichen, ist eine angemessene Orchestrierung der Energieverwaltungsfunktionen aller drei Hauptkomponenten erforderlich: Quectel BC66-Netzwerkmodul, Host-MCU und Sensor (siehe Blockdiagramm Abbildung 1). Die Master-Rolle wechselt zwischen zweien davon: Die IoT-Geräteanwendung wird von der Host-MCU ausgeführt, doch das Wake-up-Management wird vom Quectel BC66-Mobilfunkmodul im Zusammenspiel mit dem NB-IoT-Netzwerk übernommen. Dies geschieht über den VDD_EXT-Ausgangspin, der ein externer Indikator dafür ist, dass sich das BC66-Modul derzeit im Tiefschlafmodus befindet.
Immer wenn das Quectel BC66 aus dem Tiefschlaf zurückkehrt, weckt sein VDD_EXT-Signal die Host-MCU und das eingebettete IoT-Anwendungsprogramm (Firmware) auf, um die Steuerung für das IoT-Gerät zu übernehmen – je nach Anforderungen des Anwendungsfalls. Für diese Software sind die Wiederherstellung der Verbindung zu dem angemeldeten Netzwerk und die Abfrage ausstehender Downlink-Nachrichten die ersten Handlungsschritte. Das Aufwecken des Sensorchips und Initiieren eines Messzyklus muss ebenfalls innerhalb jeder einzelnen Aktivitätsperiode erfolgen (siehe Abbildung 2). Anschließend gibt die MCU IoT-Nutzdaten an das BC66-Modul weiter, fordert die Datenkonvertierung in das ausgewählte Protokollformat (z. B. UDP oder MQTT) an und initiiert die Datenübertragung über das Mobilfunknetz. Schließlich fordert die MCU das BC66-Modul auf, die nächste PSM-Periode einzuleiten, und das IoT-Gerät tritt erneut in die angegebene Endlosschleife von Aktivität und PSM-Zyklen ein.
Letztendlich summiert sich der Stromverbrauch jeder Komponente während aller aktiven und Ruhezeiten zum Gesamtstromverbrauch des IoT-Geräts. In unserem Fall wurden eine 8-Bit-MCU und der SHT4x-Sensor mit stromsparenden Ruhemodi ausgewählt, die weniger als 1 µA verbrauchen. Für unsere Berechnung gehen wir davon aus, dass wir alle 12 Stunden ein Aktivitätsfenster haben (d. h. IoT-Daten werden zweimal täglich gemeldet), das jeweils 5 Sekunden dauert. Während dieser aktiven Zeiträume wird der Stromverbrauch der Geräte von der RF-Leistung bestimmt, die für die Wiederherstellung der Verbindung und Übertragung des IoT-Datenpakets an das Netzwerk erforderlich ist.
In unserem Anwendungsfall führen die ausgewählten Komponenten und konfigurierten Parameter über kurze Aktivitätszeiträume und lange PSM-Zeiträume zu einem Gesamtstromverbrauch von ca. 275 mAh pro Jahr (siehe Ref. 5 für detailliertere Erläuterung und Tabelle zur Errechnung dieser Zahlen). Bei diesem Ansatz bietet eine feste 3000 mAh Lithiumbatterie der Größe AA eine beeindruckende Zero-Touch-Produktlebensdauer von 10,9 Jahren – was einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis für eine IoT-Fernüberwachungslösung entspricht, die überall eingesetzt werden kann.
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