Komórkowy IoT staje się wiodącą technologią sieci rozległych o niskim poborze mocy (LPWAN). Zawdzięcza to globalnemu zasięgowi, solidności, niskim zużyciem energii, a także zaawansowanym funkcjom bezpieczeństwa. Od śledzenia zasobów i inteligentnych pomiarów po inteligentne miasta i inteligentne rolnictwo, komórkowy IoT umożliwia połączonym urządzeniom komunikację na odległości przekraczające kilometry, przy jednoczesnym niewielkim zużyciu energii.

Tracker zasobów Tuff firmy Tavago Tech wykorzystuje Nordic nRF Cloud do pozyskiwania informacji o lokalizacji GNSS, komórkowej i Wi-Fi z SiP serii nRF7000 i nRF91. (Zdjęcie dzięki uprzejmości: Tavago Tech.)

Zapotrzebowanie na energię zależy od wydajności komórkowego urządzenia IoT i jego zastosowania. Złe wybory projektowe mogą negatywnie wpływać na żywotność baterii, prowadząc do tego, że użytkownicy będą musieli często ładować lub wymieniać baterie. Prowadzi to do sporych niedogodności i generuje frustrację. Jednym z rozwiązań jest użycie większej baterii, ale to zwiększa koszty, objętość i wagę. Lepszym rozwiązaniem jest przyjęcie przez dewelopera systematycznego podejścia do projektowania urządzeń IoT tak, aby zapewnić, że ani jeden dżul energii nie zostanie zmarnowany.

Podróż zaczyna się od wyboru najbardziej wydajnego sprzętu i oprogramowania, a kończy na połączeniu z usługami w chmurze, które pozwalają deweloperowi osiągać kompromis między zużyciem energii a dokładnością lokalizacji w aplikacjach do śledzenia zasobów.

Minimalizacja zużycia energii

Chociaż nie jest to jedyny czynnik wpływający na żywotność baterii, transmisja radiowa jest najbardziej znaczącym czynnikiem wpływającym na pobór prądu. Im szybciej radio LTE-M/NB-IoT może zostać włączone, wysłać swoje dane i powrócić do stanu uśpienia lub im szybciej radio GNSS może ustalić grupę satelitów, określić lokalizację i powrócić do stanu uśpienia, tym bardziej wydajne będzie urządzenie IoT.

Zawsze będzie istniała pewna aktywność radiowa niezbędna do zapewnienia, że komórkowe urządzenie IoT pozostaje zarejestrowane i połączone z siecią, dzięki czemu dane mogą być wysyłane praktycznie natychmiast, gdy jest to wymagane. Istnieje jednak kilka technik oszczędzania energii, które można wykorzystać do zminimalizowania czasu transmisji radiowej przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodnego połączenia sieciowego.

Pierwszą z nich jest rozszerzony odbiór nieciągły (eDRX). Podczas korzystania z eDRX urządzenie IoT rzadziej monitoruje komunikaty przywoławcze z sieci, oszczędzając w ten sposób energię, ponieważ nie musi tak regularnie włączać radia. Urządzenie IoT pozostaje podłączone i zarejestrowane w sieci, ale spędza dłuższe okresy w trybie uśpienia.

Istnieje pewien kompromis: gdy komórkowe urządzenie IoT nie monitoruje transmisji downlink, jest niedostępne dla sieci – taka niedostępność wprowadza opóźnienia w komunikacji komórkowej. Interwał eDRX jest zazwyczaj programowalny pomiędzy minimalnymi i maksymalnymi limitami, co pozwala deweloperowi osiągnąć równowagę pomiędzy zużyciem energii i opóźnieniami, aby dostosować się do potrzeb aplikacji.

Druga technika oszczędzania energii przenosi oszczędzanie energii na wyższy poziom, wprowadzając komórkowe urządzenie IoT w stan głębokiego uśpienia. Tryb oszczędzania energii (PSM) wyłącza modem, podczas gdy urządzenie jest nadal zarejestrowane w sieci. Urządzenie będzie nieosiągalne przez skonfigurowany czas, ale może się obudzić w dowolnym momencie (na przykład w odpowiedzi na alarm).

Urządzenie musi jednak nadal utrzymywać połączenie z siecią. Robi to, budząc się, aby wysłać regularną aktualizację obszaru śledzenia (TAU) do sieci z częstotliwością określoną przez okresowy licznik TAU. Alternatywnie, aplikacja może wybudzić urządzenie w celu wysłania wiadomości uplink przed upływem okresu TAU – chociaż zużywa to więcej energii niż czekanie, aż timer wykona zadanie.

Maksymalne wykorzystanie każdego mikrowata

Nordic Semiconductor ma długą historię „maksymalnego wykorzystania każdego mikrowata” w swoich rozwiązaniach bezprzewodowych. Teraz najnowszy dodatek firmy do serii nRF91 komórkowych urządzeń IoT idzie o krok dalej. Układ nRF9151 System-in-Package (SiP) został zaprojektowany od podstaw w celu zminimalizowania zużycia energii i obejmuje pełną obsługę eDRX i PSM, a także własne funkcje oszczędzania energii Nordic.

Jednym z przykładów funkcji oszczędzania energii Nordic jest „zmniejszona mobilność” ograniczająca wymianę między komórkami w celu zmniejszenia aktywności modemu dla urządzeń, w większości stacjonarnych. Inną jest „optymalizacja wyszukiwania dla określonego kraju”, dzięki której parametry wyszukiwania sieci dla 70 krajów mogą być wstępnie załadowane – oszczędzając energię zużywaną podczas początkowego wyszukiwania sieci w nowej lokalizacji. Trzeci to „wczesne przerwanie wyszukiwania sieci”; w złych warunkach radiowych modem może zostać poinstruowany, aby przerwać początkowe próby połączenia się z siecią i spróbować później, zamiast zużywać energię na przedłużone wyszukiwanie.

Ponieważ Nordic projektuje cały sprzęt i oprogramowanie, SiP nRF9151 oferuje wysoce wydajne i zoptymalizowane rozwiązanie o niskim poborze mocy obsługujące 3GPP release 14 LTE-M/NB-IoT i DECT NR+ (pierwszy na świecie niekomórkowy standard technologii 5G).

Decyzje projektowe podjęte podczas opracowywania architektury nRF9151 obejmowały rozważenie zasilania SiP wyłącznie z zebranej energii (takiej jak energia fotowoltaiczna) dla niektórych zastosowań. Bez względu na to, jak wydajny może być komórkowy produkt IoT, pozyskiwanie energii znacznie wydłuży jego żywotność baterii. W przypadku nRF9151 SiP, pozyskiwanie energii nie nakłada żadnych ograniczeń na łączność lub możliwości obliczeniowe układu.

Jednym z ważnych zastrzeżeń projektowych jest to, że pozyskiwanie energii może ograniczać cykl pracy aplikacji. Na szczęście elastyczność wbudowana w komórkowe rozwiązania IoT firmy Nordic ułatwia dopasowanie cyklu pracy do przewidywanych rezerw energii baterii komórkowego produktu IoT.

Kolejnym ulepszeniem nRF9151, które pomaga wydłużyć żywotność baterii w niektórych zastosowaniach, jest obsługa mocy wyjściowej Power Class 5 20 dBm – uzupełniająca istniejącą obsługę Power Class 3 23 dBm serii nRF91. Dodatkowa obsługa mocy wyjściowej pozwala programistom oszczędzać moc nadawania – pomagając oszczędzać energię baterii – jeśli moc wyjściowa klasy 5 odpowiada potrzebom aplikacji. Ulepszenie to zapewnia deweloperom większą elastyczność, poszerzając zakres przypadków użycia, w których można zastosować SiP.

Dłuższa żywotność baterii w aplikacjach do śledzenia zasobów

Śledzenie zasobów jest główną aplikacją komórkową IoT. Dzięki kompleksowej obsłudze komórkowego IoT firmy Nordic obejmującej usługi nRF Cloud Services, programiści korzystający z nRF9151 (i innych SiP z serii nRF91) mogą jeszcze bardziej wydłużyć żywotność baterii, na przykład poprzez korzystanie z usług lokalizacyjnych i równoważenie dokładności lokalizacji ze zużyciem energii.

Układ nRF9151 został zaprojektowany od podstaw w celu zminimalizowania zużycia energii i obejmuje pełną obsługę eDRX i PSM, a także własne funkcje oszczędzania energii firmy Nordic

Usługi lokalizacyjne nRF Cloud firmy Nordic obsługują trzy energooszczędne techniki lokalizacji. Pierwszą z nich jest Assisted- and Predicted-GPS (A-GPS i P-GPS). A-GPS i P-GPS zapewniają dokładność pozycjonowania na poziomie GPS, ale zużywają mniej energii baterii niż konwencjonalny GPS. Uzyskują one dostęp do danych pomocy satelitarnej przechowywanych w naziemnej bazie danych GPS, które są przekazywane do urządzenia IoT za pośrednictwem sieci LTE; urządzenie IoT może następnie znaleźć satelity w ciągu kilku sekund zamiast minut, oszczędzając energię. Technika P-GPS opiera się na A-GPS, dostarczając ponad dwa tygodnie danych pomocniczych do urządzenia IoT. Rezultatem jest jeszcze większa oszczędność energii dla urządzeń, które będą spać przez długi czas.

Druga technika lokalizacji, usługi lokalizacji LTE, może być wykorzystywana do oszczędzania energii baterii w porównaniu z P-GPS i A-GPS. Lokalizuje ona urządzenie śledzące zasoby poprzez określenie, w której komórce telekomunikacyjnej znajduje się śledzone urządzenie, a następnie odniesienie identyfikacji komórki do bazy danych znanych lokalizacji stacji bazowych. Zapewnia to dokładność do poziomu kilometra, przy niewielkim wpływie na żywotność baterii. Lokalizacja wielokomórkowa opiera się na technice jednokomórkowej, odnosząc się do pozycji kilku pobliskich stacji bazowych zamiast tylko jednej, aby zapewnić dokładność do kilkuset metrów przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego zużycia energii.

Możliwe jest również wykorzystanie lokalizacji Wi-Fi do śledzenia zasobów, ale w tym celu deweloper musi połączyć nRF9151 lub inny układ SiP z serii nRF91 z układem scalonym nRF7000 Wi-Fi Companion firmy Nordic. W przypadku użycia do lokalizacji Wi-Fi, nRF7000 przesłuchuje dowolny pobliski punkt dostępowy Wi-Fi (AP) pod kątem identyfikatora zestawu usług (SSID); nRF9151 następnie przekazuje SSID do nRF Cloud za pomocą łączności NB-IoT lub LTE-M. nRF Cloud następnie sprawdza jedną lub więcej baz danych SSID Wi-Fi i zwraca lokalizację SSID oraz stopień niepewności dla tej lokalizacji do interfejsu użytkownika, takiego jak smartfon. (Lokalizowanie SSID Wi-Fi jest znacznie dokładniejsze (rozdzielczość około 20 metrów) niż funkcje lokalizacji oparte na komórkach i mniej energochłonne niż GNSS.

Lokalizowanie Wi-Fi w aplikacjach śledzenia zasobów jest możliwe dzięki połączeniu nRF9151 z układem scalonym Wi-Fi Companion IC nRF7000 firmy Nordic

Usługi w chmurze nRF obsługują również Constrained Application Protocol (CoAP), który jest bardzo wydajnym protokołem w porównaniu do Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), Representational State Transfer (REST) i Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Obsługa CoAP pomaga dodatkowo zmniejszyć zużycie baterii.

Wysoce wydajne SiP IoT i usługi nRF Cloud Services pozwalają na przykład producentom urządzeń do śledzenia zasobów budować lekkie, kompaktowe urządzenia o potężnych możliwościach przetwarzania, które mogą działać przez lata na jednym ładowaniu baterii – obniżając wymagania konserwacyjne. A ponieważ produkcja i utylizacja baterii są znacznie ograniczone, środowisko również na tym zyskuje.

Źródło: Nordic Semiconductor