Wiele urządzeń IoT jest zasilanych bateryjnie, a jednym z najważniejszych parametrów operacyjnych jest czas pracy baterii w normalnych warunkach. Maksymalizacja żywotności baterii poprawia wrażenia użytkownika, obniża koszty konserwacji i zmniejsza straty.

Źródło: Nordic

W urządzeniach można stosować baterię o dużej pojemności, ale zwiększa to ich koszty, rozmiary i wagę. Lepszym rozwiązaniem jest przyjęcie takiego podejścia do projektowania urządzeń IoT, żeby zapewnić, aby ani jeden dżul energii nie został zmarnowany podczas pracy.

Komórkowe urządzenia IoT używają protokołów LTE-M lub NB-IoT. Oba zostały zaprojektowane z myślą o niskim poborze mocy, ale to tylko część historii. Całkowite zużycie energii przez komórkowe urządzenie IoT zależy od wydajności jego kluczowych elementów i aplikacji, do której jest używane.

Techniki oszczędzania energii w sieci komórkowej IoT

Transmisja radiowa, chociaż nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na żywotność baterii, decyduje o poborze 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.

Pewna aktywność radiowa jest niezbędna do tego, by zapewnić, że komórkowe urządzenie IoT pozostaje zarejestrowane i połączone z siecią. Dzięki temu dane mogą być wysyłane praktycznie natychmiast, gdy jest to wymagane. Istnieje jednak kilka technik oszczędzania energii, które można zastosować do zminimalizowania czasu transmisji radiowej przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodnego połączenia sieciowego.

Pierwsza z nich nosi nazwę „rozszerzonego odbioru nieciągłego” (eDRX). Podczas korzystania z eDRX urządzenie IoT rzadziej łączy się z siecią, oszczędzając w ten sposób energię, ponieważ nie musi tak często włączać radia. Istnieje jednak pewien kompromis: gdy komórkowe urządzenie IoT jest uśpione, jest niedostępne dla sieci – taka niedostępność wprowadza opóźnienia. Dostosowując się do potrzeb aplikacji deweloper musi zdecydować o odpowiednim interwale eDRX pozwalającym zachować równowagę między zużyciem energii a opóźnieniami.

Druga technika oszczędzania energii wprowadza komórkowe urządzenie IoT w jeszcze głębszy stan uśpienia. Nazywana „trybem oszczędzania energii” (PSM) metoda wyłącza modem, podczas gdy urządzenie pozostaje zarejestrowane w sieci. Urządzenie będzie nieosiągalne przez ustalony czas, ale może się obudzić, gdy zajdzie taka potrzeba (na przykład w odpowiedzi na alarm).

nRF9151 korzysta z własnych technik oszczędzania energii Nordic

eDRX i PSM to standardowe technologie oszczędzania energii dostępne dla każdego producenta komórkowych urządzeń IoT. 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.

Jednym z przykładów technologii Nordic jest „zmniejszona mobilność” – która ogranicza wymianę między komórkami, aby zmniejszyć aktywność modemu dla urządzeń, które są w większości stacjonarne. Innym jest „optymalizacja wyszukiwania dla określonego kraju”, dzięki której można wstępnie załadować parametry wyszukiwania sieci dla 70 krajów. Oszczędza się w ten sposób 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 dłuższe wyszukiwanie.

Modem nRF9151 firmy Nordic oferuje również funkcję „wstępnej oceny połączenia”. Przed połączeniem i transmisją danych modem ocenia szacowane zużycie energii, które najprawdopodobniej wykorzysta podczas wysyłania danych, i podaje szacunkową wartość („doskonała”, „dobra”, „normalna”, „słaba” lub „zła”) oraz informacje o surowych parametrach, takich jak jakość łącza radiowego, stosunek sygnału do szumu (SNR), moc TX i utrata ścieżki. Wykonując tę analizę środowiska radiowego łącza dwonlink komórki, aplikacja może zdecydować, czy wysłać dane w zależności od wymagań dotyczących efektywności energetycznej.

Uzupełnianie energii baterii

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

Pozyskiwanie energii może jednak ograniczać cykl pracy aplikacji. Na szczęście elastyczność komórkowego rozwiązania IoT firmy Nordic ułatwia optymalizację cyklu pracy pozwalającą spełnić przewidywane rezerwy energii baterii komórkowego urządzenia IoT.

nRF9151 obsługuje wyjście Class 5

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 Class 5 odpowiada potrzebom aplikacji. Ulepszenie to zapewnia deweloperom większą elastyczność, poszerzając zakres przypadków użycia, w których można zastosować SiP.

Wysokowydajne SiP dla sieci komórkowych IoT pozwalają na przykład producentom urządzeń śledzących zasoby na tworzenie lekkich, kompaktowych urządzeń 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, zyskuje na tym również środowisko.

Autor oryginału: Martin Lesund, Nordic