Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Na príklade senzora na monitorovanie zdravotného stavu stromov v sadoch vám pán Kersten Heins priblíži jednoduché IoT riešenie na diaľku. Pri bezúdržbovosti a dlhej životnosti ho môžete použiť v poľnohospodárskej oblasti, ako aj v ďalších odvetviach hospodárstva.

Monitorovanie vzdialeného miesta je typickou aplikáciou internetu vecí (IoT), avšak cieľové prípady použitia môžu byť rôzne. Niekedy sa pozorované parametre nemenia rýchlo a ani nie sú samy osebe kritické, no i napriek tomu majitelia firiem požadujú pravidelné aktualizácie, napr. každých pár hodín. Pozrime sa napríklad na „stromový senzor“. Je to IoT riešenie, ktoré monitoruje zdravotný stav stromov. Môže to byť obzvlášť zaujímavé pre poľnohospodárske oblasti. Batériou napájané senzorové IoT zariadenie je namontované na referenčnom strome, kde zhromažďuje niektoré environmentálne údaje, ako je vlhkosť (resp. sucho), čo sú základné informácie pre majiteľov polí či sadov na optimalizáciu rastu a výnosu.

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Zvyčajne sa tieto stromové senzory používajú tam, kde nie je k dispozícii napájanie ani LAN. Práve z tohto dôvodu by malo byť IoT zariadenie napájané batériou a mobilná sieť zabezpečí, že sa dá použiť takmer všade. Okrem toho by mal byť stromový senzor pripravený na „zero-touch“ prevádzku počas celého svojho životného cyklu – byť 100 % bezúdržbový a nepotrebovať žiadnu výmenu alebo dobíjanie batérie niekoľko rokov. To znamená, že náš IoT senzor by mal byť navrhnutý na maximálnu energetickú účinnosť.

obr2798_p0c2d631cba8f.jpg

Stromový senzor je len jedným z príkladov, prečo nové nízkoenergetické mobilné technológie internetu vecí, ako je NB-IoT, inšpirujú priemysel k vytváraniu nových nápadov na podnikanie v oblasti internetu vecí. Existuje mnoho ďalších podobných prípadov použitia internetu vecí, či už v poľnohospodárskom sektore, alebo na priemyselné a spotrebiteľské účely. Napríklad:
 

  • meracie zariadenie stavu naplnenia sila,  
  • snímač prietoku kvapaliny, ktorý hlási použitie a indikuje netesnosti v potrubí,
  • zariadenia na rôzne prípady sledovania a detekcie objektov,
  • nástroj na sledovanie predmetov, ktorý poskytuje geografickú polohu cenného mobilného objektu.

V skutočnosti ide o typické „push“ aplikácie, kde je IoT zariadenie väčšinu času neaktívne. „Prebudí sa“, len keď ho spustí fixný plán alebo nejaká udalosť. NB-IoT je technológia celulárnej siete (LPWAN = low power wide area network), ktorá bola špeciálne navrhnutá na splnenie tohto druhu požiadaviek, napr. ak sa stacionárne IoT zariadenia používajú na zriedkavý prenos malých dátových balíkov užitočného zaťaženia.

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x
Modul sieťového rozhrania (známy aj ako „modem“) je kľúčovým komponentom pre mobilné zariadenia internetu vecí. Popredným výrobcom v tejto oblasti je spoločnosť Quectel (www.quectel.com). Modul NB-IoT Quectel BC66 spĺňa všetky požiadavky pre batériou napájané IoT zariadenie.

Špecialista na environmentálne senzory, spoločnosť Sensirion (www.sensirion.com), ponúka širokú škálu produktov pre rôzne parametre, ako je vlhkosť, teplota, prchavé organické zlúčeniny, NOx (oxid dusíka), formaldehyd, CO2. Všetky ponúkajú rozhrania I2C na jednoduchú integráciu do zariadení internetu vecí a režimy nízkej spotreby pre aplikácie napájané z batérie.

Pre lepšiu ochranu pred nepriaznivými podmienkami prostredia by mala byť anténa NB-IoT namontovaná vo vnútri krytu zariadenia IoT. Na tento účel sú ideálne lepiace a rozmerovo malé antény spoločnosti 2J Antennas na interné použitie.

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Obrázok 1: Environmentálny senzor NB-IoT napájaný z batérie – bloková schéma

Spoločnosť SOS electronic je autorizovaným dodávateľom produktov všetkých spomínaných značiek Quectel, Sensirion aj 2J Antennas. Na napájanie IoT zariadení s nízkou spotrebou energie ponúka SOS electronic vo svojom portfóliu aj široký sortiment lítiových batérií značiek Fanso, Xeno a EVE.

Dizajn s minimálnym príkonom s NB-IoT a Quectel BC66  


Aby sa čo najviac podporilo zníženie spotreby energie zariadení IoT, sieťová technológia NB-IoT ponúka efektívnu funkciu nazývanú režim úspory energie (skrátene: PSM). Tá umožňuje zariadeniu NB-IoT vypnúť väčšinu častí sieťového rozhrania, vrátane jeho transceiveru RF sekcie po dohodnutú dobu nečinnosti. 

Trvanie tohto intervalu je určené sieťovým časovačom T3412 (známy aj ako „TAU Timer“), ktorý je primárne používaný zariadením NB-IoT na vykonávanie pravidelnej aktualizácie oblasti sledovania (TAU). Ide o štandardnú funkciu LTE na upozorňovanie dostupnosti používateľského zariadenia v pripojenej sieti.

V skutočnosti, keď sa zariadenie úspešne pripojí k sieti, zostane zaregistrované aj počas PSM intervalov, ale prenosová aktivita počká, kým nevyprší časovač T3412. Dlhšie obdobia PSM budú prirodzene viesť k nižšej spotrebe energie. V závislosti od prípadu použitia IoT je teraz na vývojárovi, aby určil ideálne časový interval, počas ktorého jeho zariadenie zostane v režime PSM. Podľa špecifikácie 3GPP je možné T3412 naprogramovať na PSM intervaly až 413 dní (!). 

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Obrázok 2: Periodická aktivita zariadenia (zjednodušene)

Počas dohodnutých období PSM sa bude všetka prevádzka sťahovania do registrovaného, ale nedostupného zariadenia IoT, ukladať do vyrovnávacej pamäte sieťou. Náš dizajnový koncept pre batériou napájané „push“ zariadenie je založený na myšlienke, že všetky miestne aktivity IoT sú riešené počas jedného periodického časového úseku (Obrázok 2), t. j. čítanie snímača, prijímanie čakajúcich správ (napr. príkaz diaľkového ovládania operátora), prenášanie dát užitočného zaťaženia IoT. 

Väčšinu času (približne 99,99 %) zostane zariadenie v režime hlbokého spánku a počas tejto doby má spotrebu len niekoľko µA. Po vypršaní T3412 modul Quectel BC66 načíta zo siete čakajúce správy, ak nejaké existujú. Počas prijímania bude modul odoberať okolo 30 mA, pri uplink prenose dokonca okolo 200 mA pri výstupnom výkone 23 dBm. Časom bude mať frekvencia a trvanie týchto krátkych špičiek spotreby energie významný vplyv na životnosť batérie. Nie je žiadnym prekvapením, že zdvojnásobenie frekvencie činností (napríklad z 1x denne na 2x denne) zníži životnosť batérie o polovicu.  

Okrem toho existuje aj mnoho ďalších aspektov, ktoré prispejú k celkovej spotrebe energie zariadenia. Napríklad umiestnenie a impedančné prispôsobenie antény zariadenia sú kritické konštrukčné aspekty, ktoré značne ovplyvňujú výkon RF. Na maximalizáciu výstupného výkonu pri špecifickej frekvencii NB-IoT je potrebné prispôsobenie antény. Vo všeobecnosti má umiestnenie zariadenia vplyv na spotrebu energie a vzdialenosť od BS (Base Station) by mala byť čo najmenšia, aby sa maximalizovala účinnosť a kvalita signálu. Toto je kritický bod, pretože by sa malo zabrániť prevádzke zariadení napájaných z batérie na úrovni rozšírenia pokrytia (CE) 2. Táto funkcia NB-IoT je užitočná pri poskytovaní pokrytia v ťažko dostupných oblastiach, ale pracuje s opakovaniami a dodatočnými kódmi na opravu chýb, ktoré zvyšujú réžiu dát a prenosové časy. Takže z hľadiska zavedenia je výhodné pracovať s MVNO („virtuálnym“ sieťovým operátorom). Umožní vám vybrať si z viacerých sietí, ku ktorým sa chcete pripojiť. (Ref. 5 na ďalšie vysvetlenie týchto tém)

Modul Quectel BC66 ponúka niekoľko možností na podporu dizajnu zariadení s nízkou spotrebou energie s využitím funkcie NB-IoT PSM (Quectel BC66_Hardware_Design_V1.4). Požiadanie siete NB-IoT o vstup do stavu PSM môže iniciovať zariadenie IoT prostredníctvom príkazu AT, ktorý umožňuje zariadeniu prejsť do hlbokého spánku na dohodnutý interval PSM.

V režime hlbokého spánku nie je rozhranie UART funkčné a sú len dva spôsoby, ako vrátiť modul do aktívneho stavu: 

  1. po uplynutí interného periodického TAU časovača,
  2. externou udalosťou budenia.

 

Externé udalosti budenia sú indikované prepnutím pinu PSM_EINT modulu Quectel BC66. Táto metóda môže byť použitá na vopred definovanú lokálnu udalosť, napr. prekročenie prahovej hodnoty (napr. „je príliš horúco“) alebo ak bola zistená prítomnosť objektu. Ide o ďalšiu typickú “push” IoT aplikáciu, ktorú dokáže riešiť Quectel BC66 v spolupráci so sieťou NB-IoT. Ale v našom príklade „stromového senzora“ používame na budenie spomínaný interný periodický TAU časovač. 

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Koncept batériou napájaného “push” zariadenia 

Počas prednastavených úsekov PSM sú všetky komponenty zariadenia nakonfigurované tak, aby pracovali vo svojich individuálnych režimoch nečinnosti s extrémne nízkou spotrebou energie.

Napríklad senzor vlhkosti Sensirion SHT4x odoberá max. 1 µA. pri 25 °C (Ref. 4). Na dosiahnutie dlhej životnosti IoT zariadenia je potrebné správne zladenie funkcií správy napájania všetkých troch hlavných komponentov: sieťový modul Quectel BC66, host MCU a senzor (bloková schéma Obrázok 1).
Hlavná úloha sa strieda medzi dvoma z nich: Aplikáciu zariadenia IoT vykonáva host MCU, ale správu budenia má na starosti celulárny modul Quectel BC66 v spolupráci so sieťou NB-IoT. To sa vykonáva cez výstupný pin VDD_EXT – externý indikátor, že modul BC66 je momentálne v režime hlbokého spánku. 

Vždy, keď sa Quectel BC66 vráti z hlbokého spánku, jeho VDD_EXT signál prebudí host MCU a vstavaný aplikačný program IoT (firmvér), aby prevzali kontrolu nad zariadením IoT – podľa požiadaviek prípadu použitia. Pre tento softvér bude prvým krokom opätovné pripojenie k registrovanej sieti a žiadosť o čakajúce downlink správy. Prebudenie senzorového čipu a spustenie meracieho cyklu je tiež potrebné vykonať v rámci každého jednotlivého obdobia aktivity (Obrázok 2). Po dokončení MCU odovzdá dáta zo senzora IoT modulu BC66, požiada o konverziu dát do zvoleného formátu protokolu (napr. UDP alebo MQTT) a spustí prenos dát cez mobilnú sieť. Nakoniec MCU požiada modul BC66, aby spustil ďalšiu periódu PSM a zariadenie IoT znova vstúpi do špecifikovanej nekonečnej slučky aktivít a cyklov PSM.

Nakoniec sa spotreba energie každého komponentu počas všetkých aktívnych a nečinných období agreguje do celkovej spotreby energie zariadenia IoT. V našom prípade bol zvolený 8-bitový MCU a senzor SHT4x s nízkou spotrebou v nečinnosti s odberom menej ako 1 µA. V našom výpočte predpokladáme, že budeme mať interval aktivity každých 12 hodín (t. j. údaje IoT budú hlásené dvakrát denne), z ktorých každý bude trvať 5 sekúnd. Počas týchto aktívnych období bude spotrebe energie zariadenia dominovať vysokofrekvenčná energia potrebná na opätovné pripojenie a prenos dátového balíka do IoT siete. 

V našom prípade použitia vedú vybrané komponenty a nakonfigurované parametre pre krátke obdobia aktivity a dlhé obdobia PSM k celkovej spotrebe energie cca. 275 mAh za rok (Ref. 5 - podrobnejšie vysvetlenie a tabuľka na výpočet čísiel). S týmto prístupom pevná lítiová batéria veľkosti AA s kapacitou 3 000 mAh poskytne úžasnú životnosť bezdrôtového zariadenia 10,9 roka – vynikajúce riešenie IoT na diaľku, ktoré možno použiť takmer všade.



Máte záujem o viac informácií k produktom Quectel, Sensirion alebo o technické poradenstvo pri výbere produktu?
Prípadne máte inú otázku či požiadavku? Prosím, vyplňte nasledujúci formulár, radi vám pomôžeme.

* Hviezdičkou (*) označené údaje sú povinné.

Batériou napájané mobilné IoT senzory s Quectel BC66 a Sensirion SHT4x

Nezmeškajte takéto články!

Páčia sa Vám naše články? Nezmeškajte už ani jeden z nich!
Nemusíte sa o nič starať, my zabezpečíme doručenie až k Vám.

Súvisiace články

Hlavné produkty


BC660K-GLAA-I03-SNASA QUECTEL  
BC660K-GLAA-I03-SNASA

NB-IoT modul 17,6x15,7mm

GSM / UMTS / LTE / 5G moduly

Obj. číslo: 343186
Výrobca: QUECTEL
na sklade 0 ks
(Termín dodania preverujeme: 250 ks)
1 ks+
5 ks+
25 ks+
50 ks+
100 ks+
250 ks+
8,51 €
8,29 €
8,06 €
7,84 €
7,61 €
7,39 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

2JF0624P-010/137-UFL (2JF0624P-010/113-UFL) 2J  
2JF0624P-010/137-UFL (2JF0624P-010/113-UFL)

Cellular anténa LTE Microcoax 1,37 0,1m U.FL

Antény

Obj. číslo: 264410
Výrobca: 2J
na sklade 467 ks
1 ks+
10 ks+
50 ks+
100 ks+
5,79 €
4,99 €
4,45 €
4,05 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

2JF0683P-018MC137B-UFL 2J  
2JF0683P-018MC137B-UFL

5G Antenna, Adhesive Mount Flexible, Microcoax Black 1,37mm, 18cm U.FL Gold

Antény

Obj. číslo: 342732
Výrobca: 2J
na sklade 103 ks
1 ks+
2 ks+
20 ks+
80 ks+
5,66 €
5,47 €
4,60 €
4,28 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

SHT 41_ BOB VARIOUS  
SHT 41_ BOB new

SHT41-AD1B-R2 na plošnom spoji s konektorom ±1.8% RH ±0,2°C

Senzory vlhkosti

Obj. číslo: 373380
Výrobca: VARIOUS
na sklade 81 ks
1 ks+
4,14 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

SHT41-AD1B-R2 SENSIRION  
SHT41-AD1B-R2

Senzor vlhkosti a teploty I2C DFN4

Senzory vlhkosti

Obj. číslo: 358574
Výrobca: SENSIRION
na sklade 1614 ks
1 ks+
500 ks+
2500 ks+
1,99 €
1,61 €
1,45 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača
Súhlasíte s ukladaním cookies?
Vitajte na stránkach SOS electronic. Skôr než vstúpite do nášho online sveta, vás chceme požiadať o možnosť ukladania súborov cookies do vášho prehliadača. Váš súhlas nám pomôže zobrazovať stránku bezchybne, merať jej výkon a sledovať ďalšie štatistiky. Okrem toho Vám môžeme prinášať ponuku našich produktov a služieb šité doslova na mieru. Cookies poskytujeme aj tretím stranám. No u nás ste v bezpečí.
Správne fungovanie webu
Stabilnejšia technická kontrola
Lepšia marketingová ponuka

Viac o súboroch cookies
Viac o spracovaní osobných údajov