IoT: Jak myśleć o niskim poborze mocy i wydłużyć życie baterii

Wymiana baterii również nie jest prostym rozwiązaniem. Jeśli zarządzasz flotą ponad 10 000 urządzeń IoT rozmieszczonych w wielu lokalizacjach, a nawet w różnych krajach, ich wymiana szybko staje się kosztowna i czasochłonna. Właśnie dlatego firmy, które priorytetowo traktują wydajność energetyczną, zyskują przewagę konkurencyjną. Im mniej energii zużywa urządzenie IoT, tym dłużej może działać bez interwencji człowieka - oszczędzając zarówno czas, jak i pieniądze na konserwację.

W tym miejscu do gry wkracza "Low Power Mindset". Zamiast traktować żywotność baterii jako kwestię drugorzędną, od samego początku powinna być ona kluczową kwestią. Wszystko, od wyboru sprzętu po strategie komunikacji sieciowej, odgrywa rolę w zużyciu energii. Projektując z myślą o wydajności, firmy mogą wydłużyć żywotność baterii, obniżyć koszty operacyjne i zapewnić, że ich rozwiązania IoT będą działać płynnie przez lata.

Istota podejścia Low Power Mindset

Low Power Mindset to holistyczne podejście do rozwoju IoT, które uznaje energię za krytyczny zasób. Chodzi o zrozumienie, że każdy komponent, każdy proces i każda decyzja ma wpływ na ogólny budżet energetyczny. Przyjmując ten sposób myślenia, deweloperzy mogą przekształcić urządzenia, które mogą działać przez tygodnie lub miesiące, w elektrownie zdolne do pracy przez lata, a nawet dziesięciolecia, na jednym ładowaniu.

Ta zmiana perspektywy ma głębokie implikacje dla ekosystemu IoT. Umożliwia tworzenie prawdziwie autonomicznych urządzeń, zmniejsza koszty konserwacji, minimalizuje wpływ na środowisko i otwiera nowe możliwości dla aplikacji w odległych i wymagających środowiskach.

Dlaczego efektywność energetyczna IoT ma znaczenie

Zalety optymalizacji zużycia energii wykraczają daleko poza zwykłą wygodę:

• Wydłużona żywotność urządzenia: Rzadsze wymiany baterii przekładają się na znaczne oszczędności kosztów w całym okresie eksploatacji urządzenia, zwłaszcza w przypadku wdrożeń na dużą skalę. Ma to kluczowe znaczenie w scenariuszach, w których dostęp do urządzeń w celu konserwacji jest trudny lub kosztowny, takich jak zdalne stacje monitorowania lub wszczepione urządzenia medyczne.
• Niższe koszty operacyjne: Mniejsza liczba wymian baterii oznacza mniej wizyt w terenie, mniejszą siłę roboczą i niższe koszty operacyjne. Jest to szczególnie korzystne w branżach takich jak rolnictwo, logistyka i monitorowanie środowiska, gdzie urządzenia są często wdrażane na rozległych i niedostępnych obszarach.
• Zwiększona niezawodność: Urządzenia, które pozostają online dłużej, zapewniają spójne i nieprzerwane strumienie danych, co prowadzi do bardziej wiarygodnych spostrzeżeń i świadomego podejmowania decyzji. Ma to zasadnicze znaczenie w zastosowaniach takich jak automatyka przemysłowa, gdzie przestoje mogą mieć znaczące konsekwencje finansowe i operacyjne.
• Zrównoważony rozwój środowiska: Dłuższa żywotność baterii zmniejsza ilość odpadów elektronicznych i minimalizuje wpływ na środowisko związany z produkcją i utylizacją baterii. Jest to zgodne z rosnącym globalnym naciskiem na zrównoważony rozwój i odpowiedzialne zarządzanie zasobami.
• Nowe możliwości zastosowań: Bardzo niskie zużycie energii otwiera drzwi do nowych zastosowań IoT w obszarach, w których częsta wymiana baterii jest niepraktyczna lub niemożliwa, takich jak zdalne śledzenie dzikiej przyrody, monitorowanie środowiska w ekstremalnych warunkach klimatycznych i długoterminowe monitorowanie infrastruktury.

Kluczowe strategie wydłużenia żywotności baterii w urządzeniach IoT

Osiągnięcie optymalnej wydajności energetycznej w urządzeniach IoT wymaga wieloaspektowego podejścia, które obejmuje wybór sprzętu, optymalizację oprogramowania i strategie komunikacji sieciowej. Oto zestawienie kluczowych strategii:

1. Wybór odpowiedniej technologii komórkowej

Łączność jest głównym konsumentem energii w urządzeniach IoT. Wybór odpowiedniej technologii komórkowej ma kluczowe znaczenie dla zrównoważenia zapotrzebowania na przepustowość z efektywnością energetyczną. Nowoczesne standardy komórkowe, takie jak LTE-M i NarrowBand-IoT , są specjalnie zaprojektowane do zastosowań w sieciac h rozległych o niskim poborze mocy (LPWAN ), oferując znaczące korzyści w porównaniu z tradycyjnymi technologiami komórkowymi.

• LTE-M: Zapewnia dobrą równowagę między wydajnością energetyczną a szybkością transmisji danych, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających stosunkowo częstej transmisji danych, takich jak śledzenie zasobów, urządzenia do noszenia i inteligentne pomiary.
• NB-IoT: Priorytetowo traktuje bardzo niskie zużycie energii i głęboką penetrację w pomieszczeniach, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań wymagających rzadkich transmisji danych, takich jak inteligentne parkowanie, monitorowanie środowiska i pomiary mediów. NB-IoT doskonale sprawdza się w zapewnianiu łączności w trudnych warunkach.

2. Wykorzystanie trybów oszczędzania energii: PSM i eDRX

LTE-M i NB-IoT oferują zaawansowane funkcje oszczędzania energii, które mogą znacznie wydłużyć żywotność baterii:

• PSM (tryb oszczędzania energii): Pozwala urządzeniom przejść w stan głębokiego uśpienia, pozostając zarejestrowanym w sieci. W PSM urządzenie zasadniczo wyłącza się, pozostając nadal podłączone do sieci, budząc się okresowo w celu sprawdzenia wiadomości lub transmisji danych. To znacznie zmniejsza zużycie energii, ponieważ urządzenie nie nasłuchuje aktywnie sieci.
• eDRX (Extended Discontinuous Reception): Umożliwia urządzeniom uśpienie przez dłuższy czas i wybudzanie się w określonych odstępach czasu w celu sprawdzenia przychodzących wiadomości. Zmniejsza to ilość czasu spędzanego przez urządzenie na aktywnym nasłuchiwaniu sieci, oszczędzając w ten sposób energię.

Porównanie PSM i eDRX:

Wybór pomiędzy PSM i eDRX zależy od konkretnych wymagań aplikacji. W przypadku urządzeń, które głównie przesyłają dane i rzadko odbierają polecenia, idealnym rozwiązaniem jest PSM. W przypadku aplikacji, które wymagają częstszej komunikacji dwukierunkowej, eDRX oferuje równowagę między oszczędnością energii a szybkością reakcji.

3.Zmniejszenie częstotliwości transmisji danych

Każda transmisja danych zużywa energię. Minimalizując częstotliwość transmisji danych, urządzenia mogą znacznie wydłużyć żywotność baterii. Można to osiągnąć za pomocą różnych technik:

Agregacja danych: Zamiast przesyłać każdy punkt danych indywidualnie, urządzenia mogą agregować dane i przesyłać je partiami w rzadszych odstępach czasu.

Transmisje wyzwalane zdarzeniami: Zamiast przesyłać dane zgodnie z ustalonym harmonogramem, urządzenia można skonfigurować tak, aby przesyłały dane tylko wtedy, gdy zostaną spełnione określone zdarzenia lub progi.

Adaptacyjne częstotliwości próbkowania: Urządzenia mogą dynamicznie dostosowywać częstotliwość próbkowania w oparciu o monitorowane warunki. Na przykład czujnik monitorujący jakość powietrza może zwiększyć częstotliwość próbkowania, gdy poziom zanieczyszczenia jest wysoki i zmniejszyć ją, gdy poziom jest niski.

4. Optymalizacja protokołów transmisji danych

Wybór protokołu komunikacyjnego może znacząco wpłynąć na zużycie energii. Niektóre protokoły są z natury bardziej wydajne niż inne, zwłaszcza w przypadku urządzeń IoT o ograniczonych zasobach.

• UDP (User Datagram Protocol): Lekki i bezpołączeniowy protokół, który minimalizuje narzut, dzięki czemu nadaje się do zastosowań, w których dopuszczalna jest sporadyczna utrata danych.
• MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks): Lekka wersja MQTT zaprojektowana specjalnie dla sieci o niskim poborze mocy i stratach. Minimalizuje rozmiary nagłówków i obsługuje tryby uśpienia, dzięki czemu idealnie nadaje się do urządzeń zasilanych bateryjnie.
• CoAP (Constrained Application Protocol): Specjalistyczny protokół transferu sieciowego zaprojektowany dla urządzeń o ograniczonych zasobach i sieci o niskim poborze mocy. Wykorzystuje architekturę RESTful i obsługuje wydajną wymianę danych.

Ważne jest, aby unikać używania protokołów o wysokim narzucie, takich jak HTTP, które mogą znacznie zwiększyć zużycie energii.

5. Optymalizacja sprzętu

Wybór sprzętu odgrywa kluczową rolę w efektywności energetycznej. Staranny dobór komponentów i rozważania projektowe mogą znacząco wpłynąć na żywotność baterii.

• Energooszczędne komponenty: Należy wybierać mikrokontrolery, czujniki i moduły komunikacyjne zaprojektowane specjalnie z myślą o niskim poborze mocy. Poszukaj funkcji takich jak tryby niskiego zużycia energii, stany uśpienia i wydajne obwody zarządzania energią.
• Optymalizacja konstrukcji anteny: Odpowiednia konstrukcja i umiejscowienie anteny zapewniają wydajną transmisję sygnału, zmniejszając potrzebę retransmisji i minimalizując zużycie energii.
• Wydajne oprogramowanie układowe: Oprogramowanie układowe odgrywa kluczową rolę w zarządzaniu zużyciem energii. Regularnie aktualizowane oprogramowanie układowe może zoptymalizować wydajność urządzenia, naprawić błędy i ulepszyć strategie zarządzania energią.

6. Odblokuj pełny potencjał IoT dzięki iSIM i eSIM

Przyszłość łączności IoT leży w technologii iSIM i eSIM - rozwiązaniachzaprojektowanych w celu uczynienia urządzeń inteligentniejszymi, bardziej wydajnymi i globalnie skalowalnymi.

W przeciwieństwie do tradycyjnych kart SIM, eSIM i iSIM integrują łączność bezpośrednio z urządzeniem, eliminując potrzebę stosowania fizycznych gniazd SIM i ręcznej wymiany. Oznacza to, że urządzenia IoT mogą płynnie przełączać się między sieciami i działać w wielu krajach bez konieczności stosowania nowych kart SIM lub zawierania umów z lokalnymi operatorami.

Dzięki technologii iSIM funkcjonalność karty SIM jest wbudowana bezpośrednio w bezpieczny procesor urządzenia, co jeszcze bardziej zwiększa wydajność, zmniejszając zużycie energii i oszczędzając cenną przestrzeń wewnętrzną. Ta dodatkowa przestrzeń może być wykorzystana do zwiększenia mocy obliczeniowej, wydłużenia żywotności baterii lub umożliwienia bardziej kompaktowych konstrukcji urządzeń - kluczowe zalety dla aplikacji takich jak inteligentne czujniki, urządzenia medyczne i przemysłowe rozwiązania IoT.

Przyjmując iSIM i eSIM, firmy mogą zabezpieczyć swoje wdrożenia IoT na przyszłość dzięki niższym kosztom, większej niezawodności i lepszej wydajności.

Gotowy do poznania nowej generacji łączności IoT? Zapoznaj się z naszym najnowszym artykułem na temat tego, dlaczego iSIM i eSIM zmieniają branżę.

7.Uśpienie/wybudzenie zamiast uruchomienia/wyłączenia

Proces uruchamiania i wyłączania zużywa znaczną ilość energii. Zamiast całkowitego wyłączania zasilania między transmisjami, urządzenia powinny wykorzystywać tryby uśpienia. Nowoczesne mikrokontrolery oferują różne tryby uśpienia z różnymi poziomami zużycia energii, dzięki czemu urządzenia mogą oszczędzać energię, pozostając jednocześnie responsywnymi.

8. Rozważ pozyskiwanie energii dla zapewnienia długowieczności

W niektórych zastosowaniach zbieranie energii może uzupełniać lub nawet zastępować baterie, zapewniając zrównoważone i długotrwałe źródło zasilania. Dostępne są różne technologie pozyskiwania energii, w tym

• Panele słoneczne: Idealne do zastosowań zewnętrznych, panele słoneczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną.
• Zbieranie energii kinetycznej: Przekształca drgania mechaniczne lub ruch w energię elektryczną, odpowiednią dla urządzeń ubieralnych i przemysłowych.
• Konwersja energii cieplnej: Pozyskuje energię z różnic temperatur, ma zastosowanie w warunkach przemysłowych lub środowiskach o znacznych gradientach termicznych.
• RF Energy Harvesting: Pozyskuje energię z sygnałów o częstotliwości radiowej, umożliwiając bezprzewodowe zasilanie urządzeń.

Chociaż pozyskiwanie energii może nie być odpowiednie dla wszystkich przypadków użycia, oferuje obiecującą drogę do przedłużenia żywotności urządzeń IoT, szczególnie w odległych lub niedostępnych lokalizacjach.

Wnioski: Przyjęcie postawy niskiego zużycia energii

Maksymalizacja żywotności baterii w IoT nie jest refleksją; to podstawowa zasada projektowania. Low Power Mindset wymaga holistycznego podejścia, które uwzględnia każdy aspekt cyklu życia urządzenia, od wyboru sprzętu po optymalizację oprogramowania i strategie komunikacji sieciowej.

Przyjmując ten sposób myślenia, deweloperzy mogą tworzyć rozwiązania IoT, które są nie tylko funkcjonalne i niezawodne, ale także energooszczędne i zrównoważone. Utoruje to drogę dla następnej generacji aplikacji IoT, umożliwiając wdrożenie miliardów urządzeń w zróżnicowanych i wymagających środowiskach, odblokowując nowe możliwości innowacji i wpływu społecznego.