Jednym z elementów systemów Internetu Rzeczy i inteligentnych fabryk są bezprzewodowe czujniki oraz sieci czujnikowe. Zastąpienie standardowym czujników i urządzeń gromadzących dane wersjami komunikującymi się bezprzewodowo daje wiele korzyści, ale też wymusza wysoce przemyślany projekt systemu, który pozwoli na minimalizację zużycia energii. Jest to ważne, gdyż omawiane systemy muszą pracować przez wiele lat bez potrzeby serwisowania. W artykule przedstawiamy zagadnienia dotyczące projektowania układów i prognozowania zużycia energii w systemach IoT.

────── Artykuł firmowy ──────

Na skróty  do energii

Cały artykuł dotyczący zużycia energii w systemach IoT znajdziesz tutaj

Idea bezprzewodowych sieci czujnikowych istnieje już od przynajmniej dwóch dekad, zaś podgrupa IEEE pracująca nad osobistymi sieciami bezprzewodowymi zdefiniowała standard 802.15.4 w 2003 roku, rok później pojawiły się pierwsze wersje ZigBee. Od tego czasu opracowano wiele odmian komunikacji bezprzewodowej i wprowadzono dodatkowe funkcje, w efekcie czego obecnie projektanci mają wybór różnorodnych otwartych lub własnościowych protokołów. Tym, co w znaczący sposób wpływa na sposób wykonania całego projektu, jest zużycie energii.

Standard Zasięg Przepustowość Częstotliwość Zużycie energii
Do 100 m 3 Mb/s (EDR) 2,4 GHz 115 mW
> 100 m Do 2 Mb/s 2,4 GHz 35 mW
Do 100 m 250 kb/s 2,4 GHz 120 mW
~50 m Do 1 Gb/s 2,4 GHz / 5 GHz 900 mW
Do 15 km Do 50 kb/s Różne 115 mW

W tabel podano orientacyjne zużycie energii w oparciu o pobór energii modułów komunikacyjnych firm Texas Instruments, STMicroelectronics i Microchip przy napięciu zasilania 3 V

Projekt systemu zasilania dla takiego czujnika wiąże się z szeregiem wyzwań. Źródłem energii będzie najczęściej bateria lub akumulator, który także może stanowić zapasowe ogniwo. Można też wykorzystać superkondensator lub jakąś kombinację tych źródeł. W tym ostatnim przypadku energia potrzebna do ponownego naładowania ogniwa może pochodzić z otoczenia – najczęściej z panelu fotowoltaicznego. W dowolnym z tych przypadków, dostępna moc będzie ograniczona. Zapas energii zgromadzony w baterii pastylkowej lub paluszku AA będzie musiał wystarczyć na lata pracy, bez potrzeby wzywania technika, który wymieni ogniwo. Projekty IoT o małym poborze mocy działają przez lata, zamiast przez godziny, jak to bywa w przypadku innych urządzeń zasilanych bateryjnie.

W rzeczywistości, niektóre parametry gotowego urządzenia, wymienione w jego specyfikacji, a podlegające także pod gwarancję, nie mogą być w pełni przetestowane. Nikt nie może sobie pozwolić na uruchomienie prototypu na okres 10 lat, przed wprowadzeniem go na rynek. Dlatego obietnice 10-letniej żywotności baterii bazują w pewnej mierze na ekstrapolacji. Oznacza to też, że projektant będzie musiał zaufać pomiarom, obliczeniom i przewidywaniom, które pozwalają oszacować czas życia baterii.

Energię zużywa cały system

Kalkulator zużycia energii w systemach IoT

Podstawowymi elementami omawianych systemów są czujniki, który dokonują pomiarów wielkości fizycznych. Istotne są też pewne możliwości przetwarzania sygnałów i danych. W końcu znaczenie ma interfejs komunikacyjny, który pozwoli przekazać zmierzone dane dalej. Taki węzeł czujnikowy powinien wybudzać się co jakiś czas, nawiązywać łączność z nadrzędnym wobec niego kontrolerem, przekazywać dane i ponownie zapadać w stan uśpienia. Czas pracy na baterii jest zależny od łącznie pobranego ładunku. Minimalizacja tej konsumpcji w dłuższej perspektywie oznacza, że konieczna jest minimalizacja zużycia energii w trakcie każdego cyklu pracy. W wielu przypadkach czujnik będzie pracował tylko przez niewielki ułamek czasu. Pomiar, który trwa kilka milisekund może być wyzwalany raz na sekundę, raz na minutę czy nawet rzadziej. Dlatego energia zużywana w trybie uśpienia może zdominować łączny pobór energii.

Łączna energia zużywana w trakcie każdego cyklu pracy jest – co oczywiste – sumą mocy z każdej chwili tego cyklu. Zakładając stałe napięcie zasilania, moc ta będzie równa polu pod wykresem prądu pobieranego w czasie. Arytmetyka jest tu prosta, ale implikacje dla architektury projektu już niekoniecznie. Na stronie przedstawiono analizę zapotrzebowania na energię poszczególnych elementów systemu (bloków funkcjonalnych) w kontekście ich trybów działania.

Źródła zasilania

W omawianych obliczeniach należy uwzględnić także baterie i akumulatory. Pierwszym wymogiem jest by ogniwa były w stanie dostarczyć maksymalną energię, jaka będzie potrzebna w aplikacji. Następnie należy oszacować średnie zużycie energii i ekstrapolować je, aby obliczyć przewidywany czas życia oraz potrzebną pojemność akumulatora. Opis dotyczący obliczeń znaleźć można tutaj.

Ogniwo
Przechowywana energia
CR2032
~ 200 mAh
AAA (alkaliczna)
Do 1000 mAh
AAA (NiCad)
Do 500 mAh
AAA (NiMH)
1000 mAh
Superkondensator
Zależnie od wersji

Warto tutaj dodać, że pomimo stosowania wcześniej wspomnianej techniki energy harvestingu, która pozwala zmniejszyć wymóg dotyczący potrzebnej energii, konieczność pracy urządzenia przez dekadę oznacza też, że ogniwa akumulatorów stracą część swojej pojemności. Do szacunków odnośnie pojemności ogniw po dłuższym czasie należy podchodzić bardzo ostrożnie, gdyż możliwe że będą one pracować w wymagających warunkach – tj. np. w niskich temperaturach. Pomimo zaplanowania długiego czasu pracy na baterii, urządzenie IoT powinno zostać tak zaprojektowane, by pozwoliło poinformować swój kontroler o zbliżającym się niedoborze energii.

Wybór układu do projektu

Zagadnienie wyboru architektury systemu, mikroprocesora, a także budowa samego układu – te zagadnienia stanowią obszerną tematykę, którą opisano na stronie z pełnym artykułem dotyczącym zasilania systemów IoT.

Zobacz również – IoT Hub

Powyższy artykuł to kolejna z cyklu publikacji w ramach kompendium technologii Internetu Rzeczy. Zapraszamy na stronę główną IoT Hub!

IoT Hub: Technologie Internetu Rzeczy