Alles over energieverbruik en levensduur van uw IoT sensoren en hoe u die kan optimaliseren
IoT-sensoren hebben 3 basisfuncties: meten, communiceren en stand-by. Ze zijn overal te plaatsen en kunnen voor veel doeleinden gebruikt worden. Enkele voorbeelden zijn:
- Het verzamelen van energieverbruiksgegevens in een bedrijfsgebouw.
- Het bewaken van belangrijke parameters van verschillende apparatuur in een industrieel gebouw om mogelijke storingen te voorspellen en onderhoudsactiviteiten vooraf te plannen.
- Het verzorgen van een goede binnenluchtkwaliteit om de gezondheid van de bewoners in een meergezinsgebouw te beschermen.
- Het bewaken van de aanwezigheid van werknemers of de bezetting van kantoren in een open ruimte.
Aangezien de meeste IoT sensoren op batterijen werken is het van belang dat het energieverbruik zo laag mogelijk is. Waarom is dat belangrijk?
1. Positieve ROI
Om kosteneffectief te zijn moeten de meeste IoT sensoren tot 10 jaar kunnen werken. Voor elke ingezette sensor heeft het vervangen van batterijen niet alleen materiaalkosten, maar ook arbeidskosten. En in het geval van een massale inzet van sensoren of sensoren die zijn geïnstalleerd op moeilijk bereikbare of zwervende locaties, zijn deze arbeidskosten veel hoger dan de kosten van het product zelf. De kosten van een bezoek ter plaatse worden over het algemeen geschat tussen € 300 en € 500.
2. Meer data beschikbaar
Het energieverbruik van een sensor kan worden geoptimaliseerd door het aanpassen van enkele parameters. Hierdoor zijn frequentere metingen mogelijk zonder extra energieverbruik. Dit verhoogd de hoeveelheid data die ter beschikking is.
3. Betere radio transmissie kwaliteit
Sommige protocollen passen het zendvermogen aan op basis van de radiokwaliteit. Door het energieverbruik tot een minimum te beperken, kan het product zich aanpassen aan vermogensschommelingen terwijl de verwachte levensduur wordt gewaarborgd. Het is daarom belangrijk om uw IoT-sensor zo lang mogelijk ‘levend’ te houden.
Rekensom
De levensduur van een IoT-sensor wordt bepaald aan de hand van een simpele rekensom: batterijcapaciteit / gemiddeld verbruik. Er zijn daarom 2 manieren om de levensduur van de batterij te optimaliseren:
- Verminder de hoeveelheid energie gebruikt door de IoT-sensor
- Verhoog de capaciteit van de batterij
Om dit te bereiken zijn verschillende compromissen nodig die zowel door de fabrikant van de IoT-sensor als door de gebruiker van deze sensoren moeten worden geïmplementeerd.
Wat zijn de mogelijkheden om het energieverbruik van een batterij aangedreven IoT sensor te verminderen als fabrikant?
Het toevoegen van een batterij die meer energie opslaat, is de voor de hand liggende manier om de levensduur van een IoT-sensor te verbeteren. Afhankelijk van het type sensor en het gebruik ervan, is deze eenvoudige oplossing niet per se de beste, omdat deze een sterke invloed heeft op de grootte en de kosten van de sensor. Een dual 3.6V Lithium accupakket met een capaciteit van 8,2 Ah kost bijvoorbeeld zo’n enkele euro’s in aanschaf! Milieu-impact en ecologische voetafdruk zijn andere factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van een batterijtype.
Ongeacht het type batterij dat wordt gekozen, is het voor een fabrikant cruciaal om een sensor op de markt te brengen die zo min mogelijk energie verbruikt. Er zijn veel factoren die van invloed zijn op het energieverbruik. Hieronder een aantal beslissingen die fabrikanten moeten nemen om energie-optimalisatie aan te pakken:
1. Energie besparende componenten
De eerste mogelijkheid voor optimalisatie bestaat uit het selecteren van energiebesparende componenten. Deze selectie moet gebaseerd zijn op een analyse van de technische specificaties van elk onderdeel. Het energieverbruik hangt echter vooral af van de manier waarop de componenten worden gebruikt. Het is daarom cruciaal om het werkelijke vermogensprofiel op prototypes te meten om het stroomverbruik van een IoT-sensor zo nauwkeurig mogelijk te bepalen.
- Afhankelijk van de hoeveelheid die wordt gemeten door een ingebouwde sensor (temperatuur, CO2, puls, enz.), kan de energie die nodig is om de meting uit te voeren een aanzienlijke impact hebben op het totale verbruik. Welke on-board sensoren zijn er op de markt en welke referenties bieden het beste compromis tussen prestatie/verbruik/prijs/beschikbaarheid? Hoe moeten ze worden gebruikt ? Continu met energiezuinige modi of gepulseerd?
- Welke microcontroller(s) selecteren?
- Moeten LED’s worden geïntegreerd?
2. Software belangrijk voor energie optimalitisatie
Ongeacht het intrinsieke stroomverbruik van de embedded componenten zoals externe apparaten, microcontrollers of radiomodules, als de software die ze bestuurt ze op een niet-geoptimaliseerde manier gebruikt, dan zijn alle energie-inspanningen op hardwareniveau tevergeefs.
- Welke algoritmen moeten worden ontwikkeld om de meest energie-efficiënte bedrijfsmodus te garanderen?
- Hoe kunnen de elektronische componenten in het IoT-apparaat zo vaak mogelijk in een diepe slaap worden gebracht?
3. Focus op LPWAN communicatietechnologien
De communicatietechnologie die door de sensor wordt gebruikt, is een andere factor die het energieverbruik van een IoT-sensor beïnvloedt. LPWAN’s (Low Power Wide Area Networks) zijn naar voren gekomen als de voorkeurskeuze voor fabrikanten om batterijgevoede IoT-sensoren te laten communiceren vanwege hun grote bereik, lage stroomverbruik en lage implementatiekosten.
LPWAN-implementaties zijn in te delen in twee brede categorieën: niet-cellulaire LPWAN en cellulaire LPWAN.
Hoewel er momenteel ongeveer 20 verschillende LPWAN-technologieën in het IoT-domein zijn, zijn er 4 bijzonder geschikt voor de huidige uitdagingen en breed ingezet: LoRa, Sigfox, LTE-M en NB-IoT. Volgens IoT Analytics vertegenwoordigen deze 4 technologieën meer dan 92% van de LPWAN-markt!
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de prestaties van deze 4 technologieën in termen van bereik, stroomverbruik, doorvoer en implementatiekosten:
Impact van LPWAN op de dagelijkse autonomie van een Adeunis COMFORT CO2-sensor in zijn standaardconfiguratie.
Batterijenergie consumptie in 1 jaar (in %)
Dagelijks verbruik:
De GSMA heeft de verschillende elementen verduidelijkt waarmee op modemniveau rekening moet worden gehouden om de vergelijking van concurrerende cellulaire IoT-sensoren te vergemakkelijken. Om het verbruik van een cyclus te evalueren, is het noodzakelijk om de verbruiken van de verschillende fasen van de werking van de modem bij elkaar op te tellen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Natuurlijk is de inkoper van IoT-sensoren afhankelijk van de ontwerpkeuzes die fabrikanten maken. Deze technische keuzes kunnen echter vergelijkingscriteria zijn om te gebruiken in uw aankoopproces.
Wat zijn de mogelijkheden om de levensduur van de batterij van IoT sensor te verbeteren als gebruiker?
1. Eenvoudig maar cruciaal: de keuze van de connectiviteit en de locatie van de IoT-sensor
Houd er rekening mee dat radioomstandigheden op de implementatielocatie ertoe kunnen leiden dat IoT-sensoren te veel stroom verbruiken, waardoor hun levensduur wordt verkort.
Om de risico’s te verminderen, kunnen experts u helpen bij het uitvoeren van een connectiviteitsstudie op uw sites en aanbevelingen doen over de keuze van de netwerken die u wilt gebruiken voor de installatie van uw IoT-sensoren.
De positionering van de IoT-sensor en meer specifiek van zijn antenne heeft ook een impact op het verbruik. De ideale locatie voor het type IoT-sensor wordt meestal aangegeven in de gebruikershandleiding van de fabrikant.
2. Eenmaal gekozen, optimaliseer de connectiviteit van de sensoren
De draadloze communicatiefunctie is meestal het meest energieverbruikend in een IoT-sensor. De batterijduur van een sensor kan echter eenvoudig worden verbeterd door de volgende parameters aan te passen:
- Vermindering van de periodiciteit van gegevensoverdracht.
Voorbeeld: Adeunis LoRaWAN COMFORT CO2–sensorautonomie, in SF12:
- Activering van ADR (Adaptive Data Rate) in LORA waarmee de verzendtijd van een frame dynamisch kan worden gewijzigd door de verbindingsparameters te bewaken en de FS dienovereenkomstig aan te passen.
- Loggen van metingen vóór verzending, zodat communicatiecircuits alleen worden gewekt als ze voldoende gegevens hebben voor een efficiënte verzending.
- Beperking van de hoeveelheid gegevens die in elk frame wordt verzonden (uplink).
Voorbeeld: Adeunis LoRaWAN COMFORT CO2-sensor levensduur met 24 frames/dag:
- Beperk de bevestiging na het verzenden van een frame (uplink).
- Het aantal nieuwe pogingen verminderen (Sigfox).
- Optimalisatie van het gebruik van FOTA en downlinks.
Voorbeeld: levensduur van de Adeunis Sigfox COMFORT CO2-sensor die 24 frames/dag verzendt
Levensduur 3 frames (2 nieuwe pogingen)
Levensduur 3 frames (2 nieuwe pogingen):
- Voor mobiele technologieën, gebruik van PSM (Power Saving Mode) en eDRX (Extended Discontinuous Reception)-functies
Ongeacht de gebruikte LPWAN-technologie is het mogelijk om de radiomodule van een IoT-apparaat uit te schakelen om het stroomverbruik te beperken. Het apparaat moet echter meestal een verbindingsprocedure met het netwerk uitvoeren wanneer de radiomodule opnieuw wordt ingeschakeld. Hoewel elke tethering-procedure een kleine hoeveelheid stroom verbruikt, kan het cumulatieve energieverbruik dat wordt veroorzaakt door meerdere tethering-procedures gedurende de levensduur van de sensor een aanzienlijke invloed hebben op de levensduur van de batterij.
Om dit probleem aan te pakken, hebben NB-IoT en LTE-M mobiele netwerkoperators de PSM-functionaliteit ontwikkeld waarmee de sensor met vaste tussenpozen in slaap valt en alleen wakker wordt om een meting uit te voeren en te verzenden zonder dat een netwerkverbindingsprocedure hoeft te worden gestart. De sensor en het netwerk optimaliseren samen dit interval op basis van de applicatiebeperkingen.
Discontinue ontvangst werkt onafhankelijk van de PSM-modus en verlengt aanzienlijk het tijdsinterval waarin een IoT-apparaat niet naar het netwerk luistert.
Voor cellulaire IoT-sensoren zal de keuze van het communicatieprotocol voor toepassingen ook een impact hebben op het totale verbruik (MQTT, LWM2M, HTTPS, enz.). Om het stroomverbruik van zijn nieuwe reeks NB-IoT- en LTE-M-sensoren te verminderen, heeft Adeunis ervoor gekozen om LWM2M te integreren.
3. Let op de applicatie instellingen
Optimalisatie van de sensorbemonsteringsfrequentie.
Voorbeeld: Adeunis LoRaWAN COMFORT CO2-sensor
Optimalisatie van het gebruik van LED’s
Voorbeeld: Adeunis LoRaWAN COMFORT CO2-sensor
Aanvullende vragen naar aanleiding van dit artikel? Of wil je er meer informatie over weten. Bel of mail naar Delmation.