Sprzęty wykorzystujące rozwiązania z zakresu Internetu Rzeczy (IoT) zazwyczaj są użytkowane w celu zdalnego monitorowania lokalizacji, ale zdarzają się również zupełnie inne zastosowania. Czasami obserwowane parametry nie zmieniają się szybko i same w sobie nie są kluczowe, ale właściciele firm wymagają, by były regularnie aktualizowane – np. co kilka godzin. Weźmy za przykład ”czujnik drzewa” – rozwiązanie IoT monitorujące stan zdrowia drzew. To rozwiązanie sprawdza się na obszarach rolnych, np. na plantacjach orzechów. Na drzewie montuje się zasilane bateryjnie urządzenie IoT z czujnikiem, które pobiera określone dane środowiskowe, takie jak wilgotność (lub nawiew), stanowiące dla właścicieli plantacji informacje niezbędne do optymalizacji wzrostu, wydajności itd.
Zazwyczaj takie czujniki są rozmieszczane w miejscach, w których nie ma dostępu do prądu ani sieci LAN. W takim przypadku urządzenie IoT powinno być zasilane bateryjnie i łączyć się przez sieć komórkową, dzięki której może być wykorzystywane niezależnie od lokalizacji. Ponadto czujnik powinien mieć możliwość pracy „bezdotykowej” przez okres eksploatacji, tzn. powinien być w 100% bezobsługowy i nie wymagać wymiany baterii ani ładowania. Oznacza to, że takie urządzenie musi zostać zaprojektowane z myślą o maksymalnej wydajności energetycznej.
- urządzenie dozujące, które kontroluje poziom napełnienia silosu ,
- czujnik przepływu cieczy, który raportuje wykorzystanie i wskazuje nieszczelności w rurociągach,
- urządzenia służące do nadzoru i wykrywania obiektów,
- urządzenie do śledzenia mienia, które informuje o położeniu geograficznym cennego obiektu ruchomego.
Są to typowe aplikacje typu „push”, w których urządzenie IoT jest nieaktywne przez większość czasu, a jedynie wybudza się od czasu do czasu, gdy zostanie uruchomione zgodnie z ustalonym harmonogramem lub przez zdarzenie zewnętrzne. NB-IoT to technologia sieci komórkowej (LPWAN = sieć rozległa małej mocy), która została opracowana specjalnie z myślą o spełnieniu tego rodzaju wymagań, zwłaszcza jeśli stacjonarne urządzenia IoT są wykorzystywane do okazjonalnego przesyłania pakietów danych payload o niewielkim obciążeniu.
Moduł interfejsu sieciowego (zwany też „modemem”) jest kluczowym elementem urządzeń IoT działających w oparciu o sieci komórkowe. Wiodącym producentem rozwiązań z tej dzieciny jest Quectel. Moduł NB-IoT quectel BC66 w pełni spełnia wymagania tej koncepcji projektowej dla urządzenia IoT zasilanego z akumulatora.
Aby zapewnić lepszą ochronę przed trudnymi warunkami środowiskowymi, antena NB-IoT powinna być zamontowana wewnątrz obudowy urządzenia IoT. W tym celu, firma 2J Antennas oferuje odpowiednie produkty samoprzylepne i małogabarytowe do zintegrowanych rozwiązań.
Rysunek 1: Zasilany bateryjnie czujnik środowiskowy NB-IoT – schemat blokowy
Uwaga: SOS electronic jest autoryzowanym dostawcą produktów firm Quectel, Sensirion i 2J Antennas. W naszej ofercie znajduje się również wiele rodzajów baterii litowych firm Fanso, Xeno i EVE, które doskonale sprawdzą się jako zasilanie rozwiązań IoT o niskim poborze mocy.
Projektowanie rozwiązań z minimalnym poborem mocy przy użyciu NB-IoT i Quectel BC66
Aby jak najbardziej zredukować poziom poboru energii przez urządzenia IoT, technologia sieci NB-IoT posiada funkcję trybu oszczędzania energii (w skrócie: PSM, od ang. Power Saving Mode), dzięki której urządzenie NB-IoT wyłącza większość elementów interfejsu sieciowego, w tym sygnały radiowe, na wprowadzony okres bezczynności urządzenia.
Czas trwania tego okresu wprowadzany jest przez timer sieciowy T3412 (zwany „timerem TAU”), wykorzystywany przede wszystkim przez urządzenie NB-IoT do okresowego przeprowadzania aktualizacji obszaru śledzenia (TAU – ang. Tracking Area Update). Jest to standardowa funkcja LTE służąca do powiadamiania o dostępności urządzenia użytkownika w danej sieci. Po pomyślnym podłączeniu urządzenia do sieci pozostaje ono zarejestrowane podczas gdy urządzenie znajduje się w trybie oszczędzania energii, ale transmisja odbywa się dopiero po upływie czasu określonego przez timer T3412. W związku z tym, dłuższe okresy oszczędzania energii będą skutkowały mniejszym zużyciem prądu. W zależności od przypadku użycia rozwiązania IoT, do twórcy oprogramowania należy teraz określenie idealnego czasu, przez jaki urządzenie powinno pozostawać w trybie oszczędzania energii. Zgodnie ze specyfikacją 3GPP, timer T3412 może być zaprogramowany na interwały trybu oszczędzania energii o długości do 413 dni (!).
Rysunek 2: Okresowa aktywność urządzenia (schemat uproszczony)
W uzgodnionych okresach trybu oszczędzania energii cały ruch związany z pobieraniem danych do zarejestrowanego, ale nieosiągalnego urządzenia IoT będzie buforowany przez sieć. Nasza koncepcja urządzenia typu „push” zasilanego bateryjnie opiera się na założeniu, że wszystkie lokalne działania urządzenia IoT są obsługiwane w okresie jednego przedziału czasowego (patrz rys. 2), tj. odczyt czujnika, odbiór oczekujących komunikatów (np. polecenia zdalnego sterowania operatora), transmisja danych payload urządzenia IoT.
Przez większość czasu (ok. 99,99%) urządzenie pozostaje w trybie głębokiego uśpienia i w tym czasie zużywa zaledwie kilka µA. Po upływie czasu określonego przez T3412, moduł Quectel BC66 pobierze z sieci oczekujące komunikaty, jeśli takie istnieją. Podczas odbioru moduł będzie pobierał około 30 mA, a podczas transmisji w paśmie uplink nawet około 200 mA przy mocy wyjściowej 23dBm. Z czasem częstotliwość i czas trwania tych krótkich, szczytowych poborów mocy będzie miał znaczący wpływ na żywotność baterii. Nie jest więc zaskoczeniem, że dwukrotne zwiększenie częstotliwości okresów aktywności (np. z jednego razu dziennie do dwóch razy dziennie) spowoduje skrócenie czasu pracy baterii o połowę.
Istnieje również wiele innych dodatkowych aspektów, które przyczyniają się do ogólnego zużycia energii przez urządzenie. Na przykład ustawienie i dopasowanie impedancji anteny urządzenia to kluczowe kwestie konstrukcyjne, które mają znaczący wpływ na działanie fal radiowych. Dopasowanie anteny jest konieczne, aby zmaksymalizować moc wyjściową przy określonej częstotliwości nośnej NB-IoT. Lokalizacja urządzenia ma wpływ na zużycie energii, a odległość do podłączonej wieży sieci komórkowej powinna być jak najmniejsza, aby zmaksymalizować wydajność i jakość sygnału. Jest to zasadnicze znaczenie, ponieważ należy unikać pracy urządzeń przy poszerzeniu zasięgu (CE, ang. coverage extension)na poziomie 2. Ta funkcja NB-IoT jest pomocna w zapewnieniu zasięgu w trudno dostępnych obszarach, jednakże we względu na powtórzenia sygnału i dodatkowe kody korekcji błędów, narzut danych payload i czas transmisji znacząco się zwiększa. Z punktu widzenia wdrażania korzystna jest więc współpraca z operatorem MVNO (operator sieci „wirtualnej”), który umożliwia wybór sieci, z którymi można się połączyć (zamiast wyłącznie jednej).Więcej informacji na temat powyższego rozwiązania zawartych zostało w dokumencie referencyjnym nr 5.
Quectel BC66 posiada kilka opcji wspierających projektowanie urządzeń o niskim poborze mocy z wykorzystaniem funkcji NB-IoT PSM (patrz dokument ref. nr 2). Urządzenie IoT może zażądać wprowadzenia sieci NB-IoT w tryb oszczędzania energii za pomocą polecenia AT, co pozwala mu wejść w stan głębokiego uśpienia na ustawiony okres.
W trybie głębokiego uśpienia interfejs UART nie działa i istnieją tylko dwa sposoby przywrócenia modułu do stanu aktywnego:
po upływie określonego wewnętrznie okresu – timer TAU lub przez zewnętrzne zdarzenie powodujące wybudzenie.
Zewnętrzne zdarzenia powodujące wzbudzenie są sygnalizowane przez migotanie linii PSM_EINT na module Quectel BC66. Metoda ta może być stosowana w przypadku wcześniej zdefiniowanego zdarzenia lokalnego, np. przekroczenia progu danej wartości (np. stwierdzenia zbyt wysokiej temperatury) lub wykrycia obecności obiektu. Jest to kolejna typowa aplikacja IoT typu „push”, która może być obsługiwana przez Quectel BC66 lub we współpracy z siecią NB-IoT. Jednak w naszym przykładzie „czujnika drzewa” do wybudzenia używamy wspomnianego wewnętrznego timera TAU.
Koncepcja urządzenia wykorzystującego „Push” zasilanego bateryjnie
W uzgodnionych okresach oszczędzania energii wszystkie elementy urządzenia są skonfigurowane do pracy w indywidualnych trybach bezczynności przy bardzo niskim zużyciu energii.
Na przykład czujnik wilgotności Sensirion SHT4x pobiera prąd o natężeniu maks. 1 µA w temperaturze 25°C (patrz dokument ref. nr 4). Aby zapewnić długi czas eksploatacji urządzenia IoT, konieczne jest właściwe połączenie funkcji zarządzania energią wszystkich trzech głównych komponentów: Modułu sieciowego Quectel BC66 , głównego modułu mikrokontrolera (MCU) i czujnika (patrz schemat blokowy na rysunku 1). Rola nadrzędna jest pełniona na przemian przez dwa z tych urządzeń: Aplikacja urządzenia IoT jest wykonywana przez host MCU, ale zarządzanie wybudzaniem jest obsługiwane przez moduł komórkowy Quectel BC66 we współpracy z siecią NB-IoT. Odbywa się to za pośrednictwem wyjścia VDD_EXT który jest zewnętrznym wskaźnikiem, że moduł BC66 znajduje się obecnie w trybie głębokiego uśpienia.
Moduł Quectel BC66 jest wybudzany, a jego sygnał VDD_EXT aktywuje główny mikrokontroler i wbudowany program aplikacji IoT (oprogramowanie firmowe), aby przejąć kontrolę nad urządzeniem – zgodnie z wymaganiami danego przypadku użycia. W przypadku tego oprogramowania w pierwszej kolejności zostanie nawiązane ponowne połączenie z wprowadzoną siecią i wysłane zapytanie o oczekujące komunikaty (downlink). Wybudzenie układu czujnika i rozpoczęcie cyklu pomiarowego również musi nastąpić w każdym okresie aktywności (patrz rys. 2). Po zakończeniu tego procesu mikrokontroler przekaże dane payload urządzenia IoT do modułu BC66, zażąda konwersji danych do wybranego formatu protokołu (np. UDP lub MQTT) i rozpocznie transmisję danych przez sieć komórkową. Na koniec mikrokontroler zażąda od modułu BC66 wprowadzenia urządzenia w tryb oszczędzania energii, a urządzenie IoT ponownie wejdzie w określony tryb pracy i oszczędzania energii naprzemiennie.
Ostatecznie zużycie energii przez każdy z komponentów podczas wszystkich okresów aktywności i bezczynności sumuje się do całkowitego zużycia energii przez urządzenie IoT. W naszym przypadku wybrano 8-bitowy mikrokontroler i czujnik SHT4x z trybami bezczynności o niskim poborze mocy, zużywający mniej niż 1 µA. Na potrzeby naszych obliczeń zakładamy, że co 12 godzin (tzn., gdy dane IoT raportowane są dwa razy dziennie) pojawi się szczelina aktywności, która w każdym przypadku zajmuje 5 sekund. Podczas tych okresów aktywności zużycie energii przez urządzenie będzie zdominowane przez moc fal radiowych wymaganą do ponownego połączenia i przesłania pakietu danych IoT do sieci.
W naszym przypadku użycia wybrane komponenty i skonfigurowane parametry dla krótkich okresów aktywności i długich okresów uśpienia prowadzą do całkowitego zużycia energii na poziomie około 275 mAh rocznie (bardziej szczegółowe wyjaśnienie i arkusz kalkulacyjny przedstawiający sposób obliczania tych liczb można znaleźć w dokumencie ref. nr 5). Przy takim podejściu bateria litowa AA o pojemności 3000 mAh zapewnia niesamowitą żywotność produktu wynoszącą 10,9 lat – co jest dobrą propozycją dla rozwiązania IoT do zdalnego monitorowania, które może być używane wszędzie.
Chcesz dowiedzieć się więcej o produktach Quectel, Sensirion lub uzyskać pomoc odnośnie wyboru modelu odpowiadającego Twoim potrzebom?
A może masz inne pytania? Skontaktuj się z nami! Uzupełnij poniższy formularz - z przyjemnością Ci pomożemy.
Czy spodobały Ci się nasze artykuły? Nie przegap żadnego! Zajmiemy się wszystkim za Ciebie i chętnie sami Ci je dostarczymy.
