In che modo la connettività LPWA influisce sulla durata della batteria dei dispositivi IoT

La durata della batteria viene discussa come se fosse esclusivamente un problema di hardware e chimica: scegliere la cella giusta, gestire la passivazione, ottenere la curva di tensione corretta. Tutto questo è importante. Ma ben prima che un dispositivo arrivi sul mercato, il fattore più determinante per la durata della batteria con una singola ricarica è una decisione che riguarda la connettività: su quale tecnologia di rete funziona e quanto è ben configurata quella connessione.

La connettività IoT è raramente la scelta neutra che sembra

Si è tentati di considerare la connettività cellulare come un costo fisso: basta inserire una SIM e concentrare il vero sforzo ingegneristico sulla batteria e sull’hardware. In pratica, la scelta della tecnologia di rete e il modo in cui un dispositivo è configurato per utilizzarla modificano il consumo energetico di un ordine di grandezza, non di una piccola percentuale.

L’LTE-M offre un buon equilibrio tra efficienza energetica e velocità di trasmissione dati, il che lo rende adatto ad applicazioni che richiedono comunicazioni relativamente frequenti, tracciamento delle risorse, dispositivi indossabili e contatori intelligenti, dove la reattività è importante quanto la durata della batteria.

L' eNB-IoT si spinge oltre nella direzione opposta: consumo energetico ultra-basso e profonda penetrazione in ambienti interni e sotterranei, a costo di velocità di trasmissione dati inferiori e maggiore latenza. È progettato per dispositivi che trasmettono piccole quantità di dati a intervalli sporadici, come sensori di parcheggio intelligenti, contatori di utenze e monitor ambientali, ed è la tecnologia alla base della maggior parte delle durate pluriennali delle batterie osservate sul campo. A seconda della frequenza di utilizzo, della potenza del segnale e di quanto siano ben configurate le impostazioni di risparmio energetico, i dispositivi NB-IoT funzionano in genere da 5 a 10 anni con una singola batteria.

La scelta tra le due tecnologie non consiste nel selezionare l’opzione “più efficiente” in astratto, ma nell’adattare la tecnologia alla frequenza con cui il dispositivo deve effettivamente comunicare.

Modalità di risparmio energetico: PSM ed eDRX

Sial’ e l’LTE-M e l’NB-IoT supportano due funzionalità di risparmio energetico che svolgono la maggior parte del lavoro pratico per prolungare la durata della batteria, e la scelta tra queste dipende interamente da ciò che l’applicazione deve ricevere, non solo inviare.

La modalità PSM (Power Saving Mode) consente a un dispositivo di entrare in uno stato di sospensione profonda pur rimanendo registrato sulla rete. Il dispositivo spegne di fatto la propria radio, riattivandosi solo a intervalli programmati per verificare la presenza di messaggi o trasmettere dati. Si tratta dello stato di sospensione più profondo disponibile, con il compromesso che il dispositivo risulta irraggiungibile e qualsiasi messaggio in downlink deve attendere fino al successivo risveglio programmato.

L’eDRX (Extended Discontinuous Reception) è l’opzione meno invasiva: il dispositivo entra in modalità di sospensione per periodi prolungati ma più brevi e si riattiva secondo una pianificazione prevedibile per verificare la presenza di messaggi in arrivo, sacrificando parte del risparmio energetico della modalità PSM a favore della capacità di ricevere comunque comandi con una latenza moderata.

Un dispositivo che deve solo inviare dati alla centrale, come un sensore di umidità del suolo che invia un rapporto una volta al giorno, è adatto alla modalità PSM. Un dispositivo che occasionalmente necessita di ricevere un comando, come una valvola a cui deve essere ordinato di chiudersi, richiede la maggiore raggiungibilità offerta da eDRX e dovrebbe prevedere nel budget il costo aggiuntivo dell’energia necessaria.

Cosa scarica effettivamente la batteria tra una trasmissione e l’altra

Scegliere la tecnologia di rete e la modalità di sospensione giuste risolve gran parte del problema, ma alcuni dettagli di configurazione determinano se la durata teorica della batteria viene effettivamente raggiunta o se viene silenziosamente erosa:

Dimensione del payload e frequenza di trasmissione. Ogni trasmissione consuma energia, indipendentemente dall’efficienza della rete sottostante. Aggregare i dati in un numero minore di trasmissioni più grandi, inviare dati solo in occasione di eventi significativi anziché secondo una pianificazione fissa e adattare le frequenze di campionamento alle condizioni (una frequenza più alta solo quando qualcosa sta effettivamente cambiando) riduce il numero di volte in cui la radio deve riattivarsi e comunicare.

Gestire con eleganza i guasti di rete. Un dispositivo che gestisce male un’interruzione della connessione può finire in un ciclo infinito di riavvio e riconnnessione, che è uno dei modi più rapidi per scaricare una batteria che avrebbe dovuto durare un decennio. La gestione delle politiche radio e i meccanismi di back-off che rilevano questo schema e rallentano i tentativi di riprova, anziché sovraccaricare la rete, proteggono sia la batteria del dispositivo che la rete stessa. Per le implementazioni mobili o su più mercati, limitare le scansioni di rete agli operatori e alle bande di frequenza di cui il dispositivo ha effettivamente bisogno riduce anche il tempo di acquisizione, un altro ambito in cui l’energia si disperde silenziosamente.

Scelta del protocollo. I protocolli leggeri progettati per dispositivi con risorse limitate, come MQTT-SN, CoAP e UDP semplice (dove è accettabile una perdita occasionale di dati), comportano un overhead di gran lunga inferiore rispetto a HTTP. Su un dispositivo alimentato a batteria, l’overhead del protocollo non è un dettaglio trascurabile, ma si traduce in tempo di trasmissione, e il tempo di trasmissione equivale a consumo di batteria.

Dove avviene l’elaborazione. L’elaborazione dei dati sul dispositivo o su un gateway locale, anziché l’invio in streaming dei dati grezzi al cloud, può ridurre sostanzialmente l’energia dedicata alla comunicazione, a condizione che l’elaborazione locale aggiuntiva non superi i risparmi ottenuti. L’equilibrio tra edge computing e trasmissione deve essere valutato nell’ambito dell’intero budget energetico, non solo dei costi di trasmissione radio, poiché il rilevamento e l’elaborazione continui possono silenziosamente annullare i vantaggi derivanti dalla riduzione della comunicazione.

Dove eSIM e iSIM cambiano l’equazione

Due sviluppi nel campo della connettività stanno cambiando ciò che è realizzabile, non solo il modo in cui viene configurata con cura la tecnologia esistente.

L’eSIM e l’iSIM trasformano la SIM da una scheda fisica sostituibile a un chip saldato o integrato. Oltre al vantaggio operativo – nessuna necessità di interventi sul campo per sostituire una SIM, nessun contratto separato per ogni paese – l’iSIM, in particolare, integra la funzionalità SIM direttamente nel processore sicuro del dispositivo, riducendo il consumo energetico e liberando spazio interno che può essere destinato a una batteria più capiente, a un’antenna migliore o a un ingombro complessivo del dispositivo più ridotto. Per i dispositivi progettati per funzionare senza interventi per un decennio, non si tratta di un dettaglio di poco conto.

Le SIM multi-rete influiscono indirettamente anche sulla durata della batteria: un dispositivo che deve cercare ripetutamente un segnale utilizzabile perché legato a un unico operatore con segnale debole consuma energia nei tentativi di connessione falliti. Una SIM che individua in modo affidabile la rete più potente disponibile al primo tentativo riduce questo consumo nascosto, oltre al vantaggio in termini di copertura per cui viene solitamente scelta.

La connettività IoT e la progettazione della batteria devono essere affrontate insieme

Nulla di tutto ciò sostituisce una buona progettazione della batteria: la scelta della composizione chimica, la struttura delle celle e l’adattamento della tensione al profilo di corrente effettivo del dispositivo continuano a determinare se una batteria funziona come previsto sotto il carico che il dispositivo le impone. Ma quel carico sulla batteria è determinato a monte dalla tecnologia di rete scelta, dall’idoneità di PSM o eDRX all’applicazione, dalle dimensioni dei payload, dalla frequenza di trasmissione del dispositivo e dalla sua capacità di gestire con efficacia una connessione difettosa.

Ottenere innanzitutto una connettività adeguata significa dimensionare la batteria in base a un budget energetico realistico anziché ottimistico. Com4 collabora con i team IoT proprio su questo aspetto, con connettività LTE-M e NB-IoT progettate per un approccio a basso consumo, supporto per PSM ed eDRX, SIM multi-rete con oltre 750 operatori in più di 190 paesi, nonché opzioni eSIM e iSIM che riducono il consumo energetico a livello hardware, in modo che la batteria scelta dal team debba semplicemente svolgere la propria parte di lavoro, senza dover compensare una scelta di connettività effettuata senza tenere conto del consumo energetico.

Se la durata della batteria è il vincolo attorno al quale è progettata la vostra prossima implementazione IoT, vale la pena affrontare il tema della connettività prima di quello della batteria, non dopo.