Monitorizarea unei locații îndepărtate este o aplicație IoT obișnuită, dar aplicațiile țintă pot diferi. Uneori, parametrii observați nu se modifică rapid, și nu sunt critici în sine, însă oamenii de afaceri solicită actualizări regulate, de ex. la fiecare câteva ore. Să luăm exemplul unui “senzor pentru copaci”, o soluție IoT pentru monitorizarea stării de sănătate a copacilor. Aceasta este deosebit de interesantă pentru zonele agricole cultivate, de exemplu pentru o plantație de nuci. Din acest motiv, dispozitivul cu senzor IoT pe bază de baterie este instalat pe un copac de referință, unde colectează câteva date privind mediul, cum ar fi umiditatea (respectiv curenții de aer), care le sunt esențiale proprietarilor de plantații în optimizarea creșterii, randamentului, etc.
De obicei, acești senzori pentru copaci sunt amplasați în zone în care nu sunt disponibile surse de curent sau LAN. Așadar, pentru o astfel de aplicație, dispozitivul IoT trebuie să fie alimentat de o baterie, iar rețeaua celulară va asigura faptul că acesta va putea fi utilizat (aproape) peste tot. În plus, senzorul pentru copaci ar trebui să fie conceput pentru funcționare „cu atingere zero“ pe toate durata vieții sale, adică nu trebuie să presupună niciun fel de mentenanță, și nici înlocuirea sau reîncărcarea bateriei, timp de mulți ani. Acest lucru înseamnă că senzorul nostru IoT trebuie conceput cu cel mai înalt grad de eficiență energetică.
- un dispozitiv de contorizare pentru nivelul de umplere al unui siloz sau
- un senzor de debit care să raporteze utilizarea și să indice scurgerile din conducte sau
- dispozitive pentru diferite aplicații de supraveghere și detectare de obiecte sau
- un sistem de monitorizare a obiectelor, care oferă geopoziția unui obiect mobil valoros
Acestea sunt aplicații “push” tipice, în care dispozitivul IoT este inactiv pentru cea mai mare parte din timp, și se “activează” ocazional, atunci când este declanșat de un program fix sau un eveniment extern. NB-IoT este o tehnologie de rețea celulară (LPWAN = rețea de arie largă cu putere redusă), care a fost concepută special să îndeplinească acest tip de cerință, în special în cazul în care dispozitive IoT staționare sunt utilizate pentru transmiterea ocazională a pachetelor mici de date.
Sensirion, specialistul în senzori pentru factori de mediu oferă o gamă variată de produse pentru o varietate de parametrii, precum umiditate, temperatură, compuși organici volatili (prescurtări: VOCs), NOx (Oxid de azot), formaldehide și CO2. Toate asigură interfețe I2C pentru o integrare facilă în dispozitive IoT și moduri cu consum redus pentru aplicații pe bază de baterii.
Pentru o protecție îmbunătățită împotriva condițiilor dure din mediul înconjurător, antena NB-IoT ar trebui montată în interiorul carcasei dispozitivului IoT. În acest scop, 2J Antennas oferă produse ce pot fi utilizate cu adezivi, precum și produse de mici dimensiuni, pentru o soluție integrată.
Figura 1: Senzor pentru factori de mediu NB-IoT pe bază de baterii - Diagramă Bloc
Observație: SOS electronic este un furnizor calificat al produselor Quectel, Sensirion și 2J antennas. Pentru a finaliza soluția IoT cu consum redus, SOS electronic oferă, de asemenea, o gamă largă de baterii cu litiu de la Fanso, Xeno și EVE.
Design cu consum minim, cu NB-IoT și Quectel BC66
Pentru a susține reducerea consumului dispozitivului IoT cât de mult posibil, tehnologia de rețea NB-IoT oferă o caracteristică eficientă denumită power saving mode/mod de economisire a energiei (prescurtare: PSM) care permite unui dispozitiv NB-IoT să oprească majoritatea componentelor interfeței de rețea, inclusiv secțiunea RF a transceiver-ului său, pentru o perioadă de inactivitate convenită.
Durata acestui interval este determinată de cronometrul de rețea T3412 (aka “TAU Timer”) care este utilizat în principal de către dispozitivul NB-IoT pentru a efectua o Actualizare a zonei de monitorizare/Tracking Area Update (TAU). Aceasta este o caracteristică LTE standard pentru a notifica disponibilitatea unui dispozitiv de utilizator față de rețeaua conectată. Odată ce dispozitivul a fost conectat cu succes la rețea, acesta rămâne înregistrat în timpul intervalelor PSM, dar activitatea de transmisie va aștepta până când cronometrul T3412 a expirat. În mod implicit, perioadele mai lungi de PSM vor duce la un consum mai mic de energie. În funcție de aplicația IoT, depinde de dezvoltator să determine perioada de timp ideală pentru care dispozitivul său să rămână în modul PSM. Conform specificației 3GPP, T3412 poate fi programat pentru intervale PSM de până la 413 zile (!).
Figura 2: Activitatea periodică a dispozitivului (simplificată)
În timpul perioadelor convenite de PSM, tot traficul de descărcare către dispozitivul IoT înregistrat, dar inaccesibil, va fi stocat în memoria tampon a rețelei. Conceptul nostru de design pentru un dispozitiv „push” alimentat cu baterii se bazează pe ideea că toate activitățile IoT locale sunt gestionate pe parcursul unui singur interval de timp periodic (a se vedea figura 2), adică senzorul de citire, primirea mesajelor în așteptare (de exemplu, o comandă de control de la distanță introdusă de operator), transmiterea datelor utile IoT.
De cele mai multe ori (aprox. 99,99%), dispozitivul va rămâne în modul „de hibernare” și va consuma câteva µA în acest timp. După expirarea T3412, modulul Quectel BC66 va prelua mesajele în așteptare din rețea, dacă există. În timpul evenimentelor de recepție, modulul va consuma în jur de 30 mA, iar în timpul transmisiei uplink va consuma chiar și în jur de 200 mA la o putere de ieșire de 23dBm. De-a lungul timpului, frecvența și durata acestor vârfuri scurte de consum de energie vor avea un impact semnificativ asupra duratei de viață a bateriei. Nu este surprinzător faptul că dublarea frecvenței perioadelor de activitate (de exemplu, de la o dată pe zi la două ori pe zi) va reduce durata de viață a bateriei la jumătate.
Dar, pe lângă acest aspect, există multe alte aspecte suplimentare care vor contribui la consumul total de energie al dispozitivului. De exemplu, poziționarea și compatibilitatea impedanței antenei dispozitivului sunt aspecte critice de design, care au un impact semnificativ asupra performanței RF. Compatibilitatea antenei este necesară pentru a maximiza puterea de ieșire la o anumită frecvență de transport Nb-IoT. În general, locația dispozitivului are un impact asupra consumului de energie, iar distanța până la turnul celular conectat ar trebui să fie cât mai scurtă posibil pentru a maximiza eficiența și calitatea semnalului. Acesta este un aspect critic, deoarece funcționarea dispozitivelor alimentate de baterii la nivelul 2 de extindere a acoperirii (CE) ar trebui evitată. Această caracteristică Nb-IoT este utilă pentru a oferi acoperire în zonele greu accesibile, dar funcționează cu repetări și coduri de corecție a erorilor suplimentare, care cresc dramatic cantitatea de date utile și timpii de transmisie. Deci, din punct de vedere al implementării, este benefic să lucrați cu un MVNO (operator de rețea „virtual”), care vă permite să selectați dintr-o gamă de rețele la care să vă conectați, în loc de a avea doar una disponibilă. Consultați Ref 5 pentru o explicație mai detaliată a acestor aspecte.
Quectel BC66 oferă mai multe opțiuni pentru a sprijini proiectarea dispozitivelor cu consum redus de energie, utilizând caracteristica Nb-IoT PSM (consultați Ref 2). Dispozitivul IoT poate iniția solicitarea ca rețeaua Nb-IoT să intre în starea PSM prin intermediul comenzii AT, ceea ce permite dispozitivului să intre în modul de hibernare pentru intervalul PSM convenit. În modul de hibernare, interfața UART nu este funcțională și există doar două modalități de a readuce modulul la o stare activă: după expirarea temporizatorului TAU periodic intern sau printr-un eveniment extern „de trezire”.
Evenimentele externe de trezire sunt indicate prin comutarea codului pin PSM_EINT al modulului Quectel BC66. Această metodă poate fi utilizată pentru un eveniment local predefinit, de exemplu, depășirea unui prag (de exemplu, de tip „este prea cald”) sau dacă a fost detectată prezența unui obiect. Aceasta este o altă aplicație IoT „push” tipică, care poate fi abordată de Quectel BC66, respectiv în cooperare cu o rețea NB-IoT. Dar, pentru exemplul nostru "senzor pentru copaci", folosim temporizatorul TAU periodic intern menționat pentru trezire.
Conceptul unui dispozitiv "push" alimentat cu baterii
În timpul perioadelor PSM convenite, toate componentele dispozitivului sunt configurate să funcționeze în modurile individuale de repaos cu consum de energie extrem de redus.
De exemplu, senzorul de umiditate Sensiron SHT4x consumă 1 µA max. la 25°C (consultați Ref 4). Pentru a obține o durată lungă de viață a dispozitivului IoT, este necesară corelarea corespunzătoare a caracteristicilor de gestionare a energiei pentru toate cele trei componente principale: modul de rețea Quectel BC66, MCU gazdă și senzor (consultați diagrama bloc Figura 1). Rolul principal este alternarea între două dintre ele: Aplicația dispozitivului IoT este executată de MCU gazdă, dar managementul trezirii este asigurat de modulul celular Quectel BC66, în cooperare cu rețeaua NB-IoT. Acest lucru se face prin intermediul codului pin de ieșire VDD_EXT, care este un indicator extern că modulul BC66 este în prezent în modul de hibernare.
Astfel, ori de câte ori Quectel BC66 revine din starea de hibernare, semnalul său VDD_EXT trezește MCU-ul gazdă și programul aplicației IoT încorporat (firmware) pentru a prelua controlul asupra dispozitivului IoT - în conformitate cu cerințele cazului de utilizare. Pentru acest software, reconectarea la rețeaua înregistrată și solicitarea de mesaje downlink în așteptare vor fi primele sarcini de îndeplinit. Trezirea cipului senzorului și oprirea unui ciclu de măsurare trebuie, de asemenea, să se facă în fiecare perioadă de activitate unică (a se vedea figura 2). După finalizarea sarcinilor, MCU va transmite datele utile IoT către modulul BC66, va solicita conversia datelor în formatul de protocol selectat (de exemplu, UDP sau MQTT) și va iniția transmiterea datelor prin rețeaua celulară. În final, MCU va solicita modulului BC66 să inițieze următoarea perioadă PSM, iar dispozitivul IoT va reintra în bucla infinită specificată de cicluri de activitate și PSM.
În cele din urmă, consumul de energie al fiecărei componente în timpul tuturor perioadelor active și inactive se va cumula în consumul total de energie al dispozitivului IoT. În cazul nostru, au fost selectate un MCU de 8 biți și senzorul SHT4x cu moduri de inactivitate cu consum redus de energie, care consumă mai puțin de 1 µA. Pentru calculul nostru, presupunem că vom avea o fereastră de activitate la fiecare 12 de ore (adică, datele IoT vor fi raportate de două ori pe zi), care durează 5 de secunde fiecare. În timpul acestor perioade active, consumul de energie al dispozitivului va fi dominat de puterea RF necesară pentru reconectarea și transmiterea pachetului de date IoT către rețea.
Pentru cazul nostru de utilizare, componentele selectate și parametrii configurați pentru perioade scurte de activitate și perioade lungi de PSM conduc la un consum total de energie de cca. 275mAh pe an (consultați Ref 5 pentru o explicație mai detaliată și o foaie de calcul cu modul în care sunt calculate aceste valori). Cu această abordare, o baterie cu litiu de 3000mAh de dimensiuni AA va oferi o durată de viață uimitoare a produsului cu zero atingere de 10,9 ani - ceea ce este o propunere bună de valoare pentru o soluție IoT de monitorizare de la distanță care poate fi utilizată de oriunde.
Sunteți interesat de mai multe informații privind produsele Quectel, Sensirion, sau aveți nevoie de un sfat tehnic la alegerea produselor?
Sau poate că aveți o altă întrebare sau solicitare? Completați formularul următor, ne-ar face plăcere să vă ajutăm.
Vă plac articolele noastre? Dacă da, atunci nu ratați nici unul! Nu trebuie să vă faceți griji în privința modului de livrare. Ne vom ocupa noi de tot pentru dvs.
