Távoli helyek megfigyelése tipikus IoT-alkalmazás, de a célhasználati esetek eltérőek lehetnek. Előfordul, hogy a megfigyelt paraméterek nem változnak gyorsan és önmagukban sem kritikusak, de a cégtulajdonosok rendszeres frissítést kérnek, például néhány óránként. Vegyük például a „fa-érzékelőt”. Ez egy IoT-megoldás, amely figyeli a fák állapotát, és különösen a mezőgazdasági területeken lehet érdekes. Az elemes IoT-érzékelő eszköz egy referenciafára van felszerelve, ahol olyan környezeti adatokat gyűjt, mint például a páratartalom (vagy szárazság), amelyek alapvető információk az ültetvénytulajdonosok számára a növekedés és a hozam optimalizálása érdekében.
Általában ezeket a faérzékelőket ott helyezik el, ahol nem áll rendelkezésre tápellátás és LAN. Éppen ezért az IoT-eszközt akkumulátorról kell táplálni, és a mobilhálózat biztosítja, hogy (szinte) mindenhol használható legyen. Ezen kívül a faérzékelőnek teljes életciklusa alatt „zero-touch“ jellemzőkkel kell bírnia - 100% -ban karbantartásmentesnek kell lennie, és évekig ne igényeljen akkumulátorcserét vagy töltést. Ez azt jelenti, hogy az IoT-érzékelőnket a maximális energiahatékonyságra kell tervezni.
- mérőműszer a siló töltési szintjéhez,
- folyadékáramlás-érzékelő, amely jelzi a használatot és jelzi a csővezetékek szivárgását,
- eszközök a tárgyak nyomon követésének és észlelésének különféle eseteihez,
- eszközkövető, amely egy értékes mobil objektum földrajzi helyzetét biztosítja.
Ezek jellemzően „push” alkalmazások, ahol az IoT-eszköz az idő nagy részében inaktív, csak időnként „ébred fel”, amikor egy fix ütemezés vagy külső esemény aktiválja. Az NB-IoT egy mobilhálózati technológia (LPWAN = kis teljesítményű nagy kiterjedésű hálózat), amelyet kifejezetten az ilyen követelmények teljesítésére fejlesztettek ki, pl. ha helyhez kötött IoT eszközöket használnak kis és hasznos adatcsomagok ritka továbbítására.
Környezetérzékelő szakértőként a Sensirion termékek széles skáláját kínálja különféle paraméterekhez, mint például páratartalom, hőmérséklet, illékony szerves vegyületek, NOx (nitrogén-oxid), formaldehid vagy CO2. Mindegyikük I2C interfészt kínál az IoT-eszközökbe való egyszerű integrációhoz, valamint alacsony fogyasztású üzemmódokat az akkumulátoros alkalmazásokhoz.
A kedvezőtlen környezeti feltételekkel szembeni jobb védelem érdekében az NB-IoT antennát ajánlott az IoT-eszköz házába szerelni. A 2J Antennas belső használatra szánt öntapadós és kisméretű antennái ideálisak erre a célra.
1. ábra: Elemről működő NB-IoT környezeti érzékelő – blokkdiagram
Az SOS electronic az összes említett Quectel, Sensirion és 2J Antennas márka termékeinek hivatalos szállítója. Az alacsony fogyasztású IoT megoldás kiegészítéseként az SOS electronic kínálatában a lítium akkumulátorok széles választéka megtalálható a Fanso, a Xeno és az EVE gyártóktól.
Alacsony fogyasztású kialakítás NB-IoT-vel és Quectel BC66-tal
Az IoT-eszközök energiafogyasztásának lehető legnagyobb mértékű csökkentése érdekében az NB-IoT hálózati technológia egy energiatakarékos üzemmódnak (röviden: PSM) nevezett hatékony funkciót kínál, amely lehetővé teszi az NB-IoT-eszközök számára a hálózati interfész legtöbb részének kikapcsolását, - beleértve az RF-rész adó-vevőjét is – egy meghatározott inaktivitási időre.
Ennek az intervallumnak az időtartamát a T3412 hálózati időzítő (más néven „TAU Timer”) határozza meg, amelyet elsősorban az NB-IoT eszköz használ rendszeres követési területfrissítés (TAU) végrehajtására. Ez egy szabványos LTE-funkció, amely figyelmezteti a felhasználói berendezések elérhetőségét a csatlakoztatott hálózaton. Miután az eszköz sikeresen csatlakozott a hálózathoz, a PSM intervallumok alatt is csatlakoztatva marad, de az átviteli tevékenység szünetel, amíg a T3412 időzítő lejár. A hosszabb PSM periódusok természetesen alacsonyabb energiafogyasztást eredményeznek. Az IoT használati jellegétől függően a fejlesztőn múlik, hogy meghatározza azt az ideális időtartamot, amely alatt eszköze PSM módban marad. A 3GPP specifikáció szerint a T3412 akár 413 napos (!) PSM-intervallumra is programozható.
2. ábra: Időszakos eszköztevékenység (leegyszerűsítve)
Az akkumulátorral működő „push” eszközre vonatkozó tervezési koncepciónk azon az elgondoláson alapul, hogy az összes helyi IoT-tevékenységet egy periodikus időszak alatt kezeljük (2.ábra), azaz az érzékelő leolvasását, függőben lévő üzenetek fogadását (pl.kezelői távirányító), IoT hasznos adatátvitelt.
Az idő nagy részében (körülbelül 99,99%) a készülék mély alvó üzemmódban marad, és ez alatt csak néhány µA-t fogyaszt. A T3412 lejárta után a Quectel BC66 modul lekéri a függőben lévő üzeneteket a hálózatról, ha vannak ilyenek. A vételi események során a modul 30 mA körül fogyaszt, uplink átvitelnél 200 mA körül, 23 dBm kimeneti teljesítmény mellett. Idővel a rövid energiafogyasztási csúcsok gyakorisága és időtartama jelentős hatással lesz az akkumulátor élettartamára. Nem meglepő, hogy az aktivitási időszakok gyakoriságának megduplázása (például napi egyszeriről napi kétszerire) felére csökkenti az akkumulátor élettartamát.
Ezen kívül sok más szempont is hozzájárul a készülék teljes energiafogyasztásához. Például az eszköz antennájának elhelyezkedése és impedanciaillesztése kritikus tervezési szempontok, amelyek nagyban befolyásolják az RF teljesítményt. A kimeneti teljesítmény maximalizálásához egy adott NB-IoT frekvencián szükség van az antenna beállítására. Általában az eszköz elhelyezkedése befolyásolja az energiafogyasztást, és a bázisállomástól való távolságnak a lehető legkisebbnek kell lennie a jel hatékonyságának és minőségének maximalizálása érdekében. Ez kritikus pont, mert kerülni kell az akkumulátorral működő eszközök 2. lefedettségi szintű (CE) működését. Ez az NB-IoT funkció segít lefedettséget biztosítani a nehezen elérhető területeken, de működik iterációkkal és extra hibajavító kódokkal, amelyek drámaian megnövelik a hasznos adatok többletterhelését és átviteli idejét. A megvalósítás szempontjából tehát előnyös az MVNO-val ("virtuális" hálózatüzemeltetővel) dolgozni. Lehetővé teszi, hogy több olyan hálózat közül válasszon, amelyekhez csatlakozni lehet. (A témakör további magyarázatához ld. az 5. hivatkozást)
A Quectel BC66 modul számos lehetőséget kínál az alacsony fogyasztású eszközök tervezésének támogatására az NB-IoT PSM funkció segítségével. A PSM állapotba való belépésre vonatkozó NB-IoT hálózati kérést az IoT eszköz kezdeményezheti AT paranccsal, amely lehetővé teszi az eszköz számára, hogy az egyeztetett PSM intervallumon belül hibernálódjon. Mély alvó módban az UART interfész nem működik, és csak kétféleképpen lehet a modult aktív állapotba visszaállítani:
- a belső periodikus TAU időzítő lejárta után,
- külső ébresztő esemény által.
A külső ébresztési eseményeket a Quectel BC66 modul PSM_EINT lábának átkapcsolása jelzi. A módszer egy előre meghatározott helyi eseményre alkalmazható, pl. a küszöbérték túllépése (pl. "túl meleg"), vagy ha tárgyat észlelt. Ez egy újabb jellegzetes "push" IoT alkalmazás, amelyet a Quectel BC66 az NB-IoT hálózattal együttműködve képes megoldani. De a "fa-érzékelő" példánkban az említett belső periodikus TAU időzítőt használjuk az ébresztéshez.
Az akkumulátorral működő "push" eszköz koncepciója
Az előre beállított PSM-szakaszok során az összes eszközösszetevő úgy van beállítva, hogy a saját üresjárati üzemmódjában működjön rendkívül alacsony energiafogyasztás mellett.
Például a Sensirion SHT4x páratartalom érzékelő max. 1 µA-t vesz fel 25 °C-on (4. hivatkozás). Az IoT-eszköz hosszú élettartamának eléréséhez mindhárom fő összetevő energiagazdálkodási funkcióit megfelelően össze kell hangolni: BC66 Quectel hálózati modul, MCU host és érzékelő (1. ábra - blokkdiagram).
A fő feladatot ketten végzik felváltva: Az IoT alkalmazást az MCU host végzi, de az ébresztéskezelést a Quectel BC66 cellás modul végzi az NB-IoT hálózattal együttműködve. Ez a VDD_EXT kimeneti lábon keresztül történik - egy külső indikátor, amely jelzi, hogy a BC66 modul jelenleg hibernált módban van.
Valahányszor a Quectel BC66 visszatér a mélyalvásból, VDD_EXT jele felébreszti az MCU host-ot, és a beépített IoT-alkalmazást (firmware-t), hogy átvegye az IoT-eszköz irányítását – az alkalmazási követelményeknek megfelelően. Ennél a szoftvernél a regisztrált hálózathoz való újra csatlakozás és a függőben lévő downlink üzenetek kérése lesz az első teendő. A szenzorchip felébresztését és a mérési ciklus elindítását szintén minden egyes tevékenységi perióduson belül el kell végezni (2. ábra). Miután ez megvan, az MCU adatokat továbbít a BCT IoT érzékelőjétől, kéri az adatok konvertálását a kiválasztott protokollformátumra (pl. UDP vagy MQTT), és kezdeményezi az adatátvitelt a mobilhálózaton keresztül. Végül az MCU kéri a BC66-tól a következő PSM-periódus elindítását, és az IoT-eszköz újra belép a meghatározott végtelen tevékenység- és PSM-ciklusokba.
Végül az egyes komponensek energiafogyasztása az összes aktív és tétlen időszak alatt összeadódik az IoT-eszköz teljes energiafogyasztásával. Esetünkben egy 8 bites MCU-t és az 1 µA-nál kevesebbet fogyasztó, alacsonyfogyasztású üresjárati üzemmóddal rendelkező SHT4x érzékelőt választottuk. Számításunkhoz feltételezzük, hogy 12 óránként lesz egy tevékenységi szakaszunk (azaz az IoT-adatokat naponta kétszer jelentjük), amely egyenként 5 másodpercet vesz igénybe. Ezekben az aktív időszakokban az eszköz energiafogyasztását az a rádiófrekvenciás teljesítmény fogja uralni, amely az IoT-adatcsomag újra csatlakozásához és a hálózathoz történő továbbításához szükséges.
Alkalmazásunkban a kiválasztott komponensek, valamint a rövid tevékenységi periódusokra és a hosszú PSM periódusokra beállított paraméterek kb. 275 mAh évente (lásd az 5. hivatkozást a részletesebb magyarázatért és számítást elősegítő táblázatért). Ezzel a megközelítéssel egy szilárd, 3000 mAh-s AA lítium akkumulátor bámulatos, 10,9 éves vezeték nélküli élettartamot biztosít – ez egy kiváló távoli IoT-megoldás, amely szinte bárhol használható.
További Quectel, Sensirion termékekkel kapcsolatos információra vagy a választást elősegítő műszaki tanácsra van szüksége? Esetleg egyéb kérése, kérdése van? Töltse ki az alábbi űrlapot, és örömmel segítünk!
Önnek is tetszenek cikkeink? Ne maradjon le egyről sem! Nem kerül erőfeszítésébe, mi eljuttatjuk Önhöz.
