Monitorování vzdáleného místa je typickou aplikací internetu věcí (IoT), avšak cílové případy použití mohou být různé. Někdy se pozorované parametry nemění rychle a ani nejsou samy o sobě kritické, přesto majitelé firem požadují pravidelné aktualizace, např. každých několik hodin. Podívejme se například na „stromový senzor“. Je to IoT řešení, které monitoruje zdravotní stav stromů. Může to být obzvláště zajímavé pro zemědělské oblasti. Baterií napájené senzorové IoT zařízení je namontované na referenčním stromu, kde shromažďuje některé environmentální údaje, jako je vlhkost (resp. sucho), což jsou základní informace pro majitele polí či sadů pro optimalizaci růstu a výnosu.

Obvykle se tyto stromové senzory používají tam, kde není k dispozici napájení ani LAN. Právě z tohoto důvodu by mělo být IoT zařízení napájeno baterií a mobilní síť zajistí, že lze použít téměř všude. Kromě toho by měl být stromový senzor připraven na „zero-touch“ provoz během celého svého životního cyklu – být stoprocentně bezúdržbový a nepotřebovat žádnou výměnu nebo dobíjení baterie několik let. To znamená, že náš IoT senzor by měl být navržen pro maximální energetickou účinnost.

Stromový senzor je jen jedním z příkladů, proč nové nízkoenergetické mobilní technologie internetu věcí, jako je NB-IoT, inspirují průmysl k vytváření nových nápadů pro podnikání v oblasti internetu věcí. Existuje mnoho dalších podobných případů použití internetu věcí, ať už v zemědělském sektoru, nebo pro průmyslové a spotřebitelské účely.
Například:

• měřicí zařízení stavu naplnění sila,
• snímač průtoku kapaliny, který hlásí použití a indikuje netěsnosti v potrubí,
• zařízení pro různé případy sledování a detekce objektů,
• nástroj pro sledování předmětů, který poskytuje geografickou polohu cenného mobilního objektu.

Ve skutečnosti jde o typické „push“ aplikace, kde je IoT zařízení většinu času neaktivní. „Probudí se“ jen když ho spustí fixní plán nebo nějaká událost. NB-IoT je technologie celulární sítě (LPWAN = low power wide area network), která byla speciálně navržena pro splnění tohoto druhu požadavků, např. pokud se stacionární IoT zařízení používají pro vzácný přenos malých datových balíků užitečného zatížení.

Modul síťového rozhraní (známý také jako „modem“) je klíčovou komponentou pro mobilní zařízení internetu věcí. Předním výrobcem v této oblasti je společnost Quectel (www.quectel.com) Modul NB-IoT Quectel BC66 splňuje všechny požadavky pro baterií napájené IoT zařízení.

Specialista na environmentální senzory, společnost Sensirion  (www.sensirion.com), nabízí širokou škálu produktů pro různé parametry, jako je vlhkost, teplota, těkavé organické sloučeniny, NOx (oxid dusíku), formaldehyd, CO₂. Všechny nabízejí rozhraní I²C pro snadnou integraci do zařízení internetu věcí a režimy nízké spotřeby pro aplikace napájené z baterie.

Pro lepší ochranu před nepříznivými podmínkami prostředí by měla být anténa NB-IoT namontovaná uvnitř krytu zařízení IoT. Pro tento účel jsou ideální lepicí a rozměrově malé antény společnosti 2J Antennas pro interní použití.

Obrázek 1: Environmentální senzor NB-IoT napájený z baterie – blokové schéma

Společnost SOS electronic je autorizovaným dodavatelem produktů všech zmiňovaných značek Quectel, Sensirion i 2J Antennas. Pro napájení IoT zařízení s nízkou spotřebou energie nabízí SOS electronic ve svém portfoliu také široký sortiment lithiových baterií značek Fanso, Xeno a EVE.

Design s minimálním příkonem s NB-IoT a Quectel BC66 

Aby se co nejvíc podpořilo snížení spotřeby energie zařízení IoT, síťová technologie NB-IoT nabízí efektivní funkci nazývanou režim úspory energie (zkráceně: PSM). Umožňuje zařízení NB-IoT vypnout většinu částí síťového rozhraní včetně jeho transceiveru RF sekce po dohodnutou dobu nečinnosti.

Trvání tohoto intervalu je určené síťovým časovačem T3412 (známý také jako „TAU Timer“), který je primárně používán zařízením NB-IoT k pravidelné aktualizaci oblasti sledování (TAU). Jde o standardní funkci LTE pro upozorňování dostupnosti uživatelského zařízení v připojené síti. Když se ve skutečnosti zařízení úspěšně připojí k síti, zůstane zaregistrované i během PSM intervalů, ale přenosová aktivita počká, dokud nevyprší časovač T3412. Delší období PSM povedou přirozeně k nižší spotřebě energie. V závislosti na případu použití IoT je nyní na vývojáři, aby určil ideální časový interval, po který jeho zařízení zůstane v režimu PSM. Podle specifikace 3GPP lze T3412 naprogramovat na PSM intervaly až 413 dní (!).

Obrázek 2: Periodická aktivita zařízení (zjednodušeně)

Během dohodnutých období PSM se bude veškerý provoz stahování do registrovaného, ale nedostupného zařízení IoT, ukládat do vyrovnávací paměti sítí. Náš designový koncept pro baterií napájené „push“ zařízení je založen na myšlence, že všechny místní aktivity IoT jsou řešeny během jednoho periodického časového úseku (Obrázek 2), tj. čtení snímače, přijímání čekajících zpráv (např. příkaz dálkového ovládání operátora), přenášení dat užitečného zatížení IoT. 

Většinu času (přibližně 99,99 %) zůstane zařízení v režimu hlubokého spánku a během této doby má spotřebu jen několik µA. Po vypršení T3412 modul Quectel BC66 načte ze sítě čekající zprávy, pokud nějaké existují. Během přijímání bude modul odebírat kolem 30 mA, při uplink přenosu dokonce kolem 200 mA při výstupním výkonu 23 dBm. Časem bude mít frekvence a trvání těchto krátkých špiček spotřeby energie významný vliv na životnost baterie. Není žádným překvapením, že zdvojnásobení frekvence činností (například z 1× denně na 2× denně) sníží životnost baterie o polovinu. 

Kromě toho existuje i mnoho dalších aspektů, které přispějí k celkové spotřebě energie zařízení. Například umístění a impedanční přizpůsobení antény zařízení jsou kritické konstrukční aspekty, které značně ovlivňují výkon RF. Pro maximalizaci výstupního výkonu při specifické frekvenci NB-IoT je nutné přizpůsobení antény. Obecně má umístění zařízení vliv na spotřebu energie a vzdálenost od BS (Base Station) by měla být co nejmenší, aby se maximalizovala účinnost a kvalita signálu. Toto je kritický bod, protože by se mělo zabránit provozu zařízení napájených z baterie na úrovni rozšíření pokrytí (CE) 2. Tato funkce NB-IoT je užitečná při poskytování pokrytí v obtížně dostupných oblastech, ale pracuje s opakováními a dodatečnými kódy pro opravu chyb, které zvyšují režii dat a přenosové časy. Takže z hlediska zavedení je výhodné pracovat s MVNO („virtuálním“ síťovým operátorem). Umožní vám vybrat si z více sítí, ke kterým se chcete připojit. (Ref. 5 pro další vysvětlení těchto témat).

Modul Quectel BC66 nabízí několik možností pro podporu designu zařízení s nízkou spotřebou energie s využitím funkce NB-IoT PSM (Quectel BC66_Hardware_Design_V1.4). Požádání sítě NB-IoT o vstup do stavu PSM může iniciovat zařízení IoT prostřednictvím příkazu AT, který umožňuje zařízení přejít do hlubokého spánku na dohodnutý interval PSM. V režimu hlubokého spánku není rozhraní UART funkční a jsou jen dva způsoby, jak vrátit modul do aktivního stavu:

1. po uplynutí interního periodického TAU časovače,
2. externí událostí buzení.

Externí události buzení jsou indikovány přepnutím pinu PSM_EINT modulu Quectel BC66. Tato metoda může být použita pro předem definovanou lokální událost, např. překročení prahové hodnoty (např. „je příliš horko“), nebo pokud byla zjištěna přítomnost objektu. Jde o další typickou „push“ IoT aplikaci, kterou dokáže řešit Quectel BC66 ve spolupráci se sítí NB-IoT. Ale v našem příkladě „stromového senzoru“ používáme k buzení zmiňovaný interní periodický TAU časovač.

Koncept baterií napájeného „push“ zařízení

Během přednastavených úseků PSM jsou všechny komponenty zařízení nakonfigurovány tak, aby pracovaly ve svých individuálních režimech nečinnosti s extrémně nízkou spotřebou energie.

Například senzor vlhkosti Sensirion SHT4x odebírá max. 1 µA. při 25 °C (Ref. 4). K dosažení dlouhé životnosti IoT zařízení je zapotřebí správné sladění funkcí správy napájení všech tří hlavních komponent: síťový modul Quectel BC66, host MCU a senzor (blokové schéma Obrázek 1). Hlavní úloha se střídá mezi dvěma z nich: Aplikaci zařízení IoT provádí host MCU, ale správu buzení má na starosti celulární modul Quectel BC66 ve spolupráci se sítí NB-IoT. To se dělá přes výstupní pin VDD_EXT – externí indikátor, že modul BC66 je momentálně v režimu hlubokého spánku.

Vždy, když se Quectel BC66 vrátí z hlubokého spánku, jeho VDD_EXT signál probudí host MCU a vestavěný aplikační program IoT (firmware), aby převzali kontrolu nad zařízením IoT – dle požadavků případu použití. Pro tento software bude prvním krokem opětovné připojení k registrované síti a žádost o čekající downlink zprávy. Probuzení senzorového čipu a spuštění měřicího cyklu je také třeba provést v rámci každého jednotlivého období aktivity (Obrázek 2). Po dokončení MCU předá data ze senzoru IoT modulu BC66, požádá o konverzi dat do zvoleného formátu protokolu (např. UDP nebo MQTT) a spustí přenos dat přes mobilní síť. Nakonec MCU požádá modul BC66, aby spustil další periodu PSM a zařízení IoT znovu vstoupí do specifikované nekonečné smyčky aktivit a cyklů PSM.

Nakonec se spotřeba energie každé komponenty během všech aktivních a nečinných období agreguje do celkové spotřeby energie zařízení IoT. V našem případě byl zvolen osmibitový MCU a senzor SHT4x s nízkou spotřebou v nečinnosti s odběrem méně než 1 µA. V našem výpočtu předpokládáme, že budeme mít interval aktivity každých 12 hodin (tj. údaje IoT budou hlášeny dvakrát denně), z nichž každý bude trvat pět vteřin. Během těchto aktivních období bude spotřebě energie zařízení dominovat vysokofrekvenční energie potřebná k opětovnému připojení a přenosu datového balíku do IoT sítě. 

V našem případě použití vedou vybrané komponenty a nakonfigurované parametry pro krátká období aktivity a dlouhá období PSM k celkové spotřebě energie cca 275 mAh za rok (Ref. 5 – podrobnější vysvětlení a tabulka pro výpočet čísel). S tímto přístupem pevná lithiová baterie velikosti AA o kapacitě 3000 mAh poskytne úžasnou životnost bezdrátového zařízení 10,9 roku – vynikající řešení IoT na dálku, které lze použít téměř všude.

Máte zájem o více informací k produktům Quectel, Sensirion nebo o technické poradenství při výběru produktu? V SOS electronic vám rádi poskytnou veškeré informace na adrese info@soselectronic.cz. 

Download a odkazy:

• Domovská stránka společnosti SOS electronic: http://www.soselectronic.cz/
• Baterií napájené mobilní IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x
• SOS electronic na stránkách hw.cz
• Domovská stránka společnosti QUECTEL: https://www.quectel.com/

(Text zpracoval Kersten Heins, nezávislý autor technických článků se zaměřením na IoT řešení a embedded systémy. Další zpracovaná témata od autora najdete v blogu SOS electronic.)