Co skutečně vybíjí baterii vašeho IoT zařízení

Praktický průvodce konfigurací pro projektanty a integrátory

Klíčové poznatky

• Výdrž baterie určuje celý energetický profil zařízení, ne jen kapacita v mAh.
• Frekvence odečtu a frekvence přenosu jsou dvě oddělené otázky. Dávkování umožňuje data ukládat lokálně a odesílat méně často, aniž by se ztratila granularita v nadřazeném systému.
• Klidový odběr je potřeba posuzovat na úrovni celého zařízení, ne jen procesoru, protože aktivní periferie nebo modem mohou spotřebovávat energii i během spánku.
• U NB-IoT představují PSM a eDRX kompromis mezi spotřebou a dostupností pro komunikaci ze sítě, u LoRaWAN přímo ovlivňuje spotřebu volba mezi confirmed a unconfirmed uplinky i použití ADR.
• Reálné podmínky instalace, kvalita rádiového signálu a teplota mění energetický profil oproti laboratornímu nebo stolnímu testování.
• Chybové stavy, jako neúspěšné odečty nebo retransmise, prodlužují aktivní dobu zařízení a patří do energetického rozpočtu, ne jen běžný provoz.
• Výdrž baterie je odhad pro konkrétní konfiguraci a provozní scénář, ne pevné číslo. Battery packy ACRIOS (19 000 mAh D / 38 000 mAh D2) slouží jako referenční vstup a coulomb counting umožňuje ověřit skutečnou spotřebu tam, kde je to potřeba.

‍

Desetiletá životnost baterie neznamená, že zařízení bude deset let fungovat při libovolném nastavení. Stejný hardware může mít velmi odlišnou spotřebu podle toho, jak často odečítá data, jak často je odesílá, jak dlouho zůstává aktivní, jak pracuje s připojenými rozhraními a co udělá, když komunikace selže.

Proto má smysl při integraci nesledovat jen kapacitu baterie, ale celý energetický profil zařízení. Právě v něm se dají najít činnosti, které spotřebovávají energii zbytečně, a jejich vliv je často možné omezit vhodnou konfigurací.

Co tvoří energetický profil zařízení

Bateriové IoT zařízení není většinu času v jednom konstantním režimu, jeho provoz se skládá z krátkých aktivních fází a zpravidla mnohem delšího období spánku. Typický cyklus převodníku pro dálkový odečet vypadá zhruba takto: spánek, probuzení, aktivace rozhraní, odečet měřidla, zpracování dat, rádiová komunikace, návrat do spánku.

Každá část má jinou spotřebu a jinou dobu trvání. K tomu je potřeba připočítat situace, kdy vše neproběhne napoprvé, například když měřidlo neodpoví nebo se zařízení nepodaří připojit k síti. Samotná informace o kapacitě baterie v mAh proto nestačí, pro odhad životnosti je potřeba vědět také, jak často a jak dlouho jednotlivé části cyklu probíhají.

Frekvence odečtu není totéž co frekvence přenosu

Potřeba znát hodnotu spotřeby každých 15 minut neznamená automaticky, že zařízení musí každých 15 minut navázat rádiovou komunikaci a hodnotu samostatně odeslat. Pokud to zařízení a konkrétní aplikace umožňují, může data odečítat častěji, ukládat je lokálně a odeslat víc hodnot najednou. Výsledkem může být stejná granularita dat v nadřazeném systému, ale menší počet komunikačních cyklů, což může mít na celkovou spotřebu významný vliv.

Při návrhu je proto vhodné oddělit dvě otázky: jak často je potřeba hodnotu získat a jak často je potřeba dostat ji do nadřazeného systému. Odpověď nemusí být stejná. Volbě vhodné frekvence se podrobněji věnujeme v článku Kdy měřit spotřebu každých 15 minut a kdy stačí denní data.

Spotřeba se nepočítá jen z rádiového modulu

Při odhadu spotřeby se snadno soustředíme na NB-IoT nebo LoRaWAN modem, rádiový přenos ale není jediná aktivní část zařízení. Převodník musí nejprve získat data z měřidla, podle konkrétního řešení může například komunikovat s měřidlem přes M-Bus nebo RS-485, přijímat wM-Bus telegramy, sledovat pulzní vstup (S0) nebo použít optické rozhraní. Pokud zařízení zároveň napájí připojenou periferii, počítá se její odběr do energetického rozpočtu taky.

Rozdíl proto může vytvořit nejen to, jak často zařízení odesílá, ale také jak často měřidlo odečítá, jak dlouho jeden odečet trvá, která rozhraní musí během něj aktivovat, zda a jak dlouho napájí externí periferii a co udělá, pokud odečet není úspěšný. Energetický profil je proto potřeba sestavit pro celý cyklus, ne jen pro rádiovou část.

Režim spánku se posuzuje na úrovni celého zařízení

Pokud má bateriové zařízení fungovat mnoho let, musí většinu této doby strávit ve stavu s velmi nízkou spotřebou. Nestačí ale vědět, že procesor podporuje deep sleep, důležitý je klidový odběr celého zařízení. Procesor může spát, zatímco jiné části elektroniky zůstávají aktivní, například komunikační rozhraní, modem nebo napájená periferie.

Protože zařízení může ve spánkovém režimu strávit převážnou část provozní doby, i malý rozdíl v trvalém klidovém odběru se v dlouhodobém energetickém rozpočtu nasčítá. Při integraci je proto užitečnější zjistit, co skutečně zůstává napájeno mezi jednotlivými cykly, než se ptát, jestli zařízení podporuje deep sleep.

U NB-IoT a LoRaWAN nerozhoduje jen počet zpráv

Stejný počet odeslaných zpráv nemusí vždy znamenat stejnou spotřebu.

U NB-IoT je potřeba počítat s celým průběhem komunikace se sítí, ne pouze se samotným odesláním payloadu. Na výslednou spotřebu mají vliv podmínky rádiového spojení, doba, po kterou musí modem zůstat aktivní, případná opakování a nastavení energeticky úsporných funkcí sítě.

Pro bateriové aplikace jsou důležité například PSM (Power Saving Mode) a eDRX (extended Discontinuous Reception), jejich konfigurace představuje kompromis mezi spotřebou a dostupností zařízení pro komunikaci ze sítě. V PSM zařízení výrazně omezuje spotřebu, ale není běžně dosažitelné pro downlink, eDRX naproti tomu prodlužuje intervaly mezi kontrolami příchozí komunikace. Požadavek na okamžitou dostupnost zařízení proto může být v rozporu s požadavkem na co nejnižší spotřebu, dostupnost pro downlink je součástí návrhu energetického profilu.

U LoRaWAN ovlivňuje spotřebu mimo jiné doba vysílání, která závisí na datové rychlosti, spreading factoru a velikosti přenášených dat. Důležitá je také volba mezi confirmed a unconfirmed uplinky. Pokud aplikace nevyžaduje potvrzení každé běžné telemetrické zprávy, nevyplatí se potvrzení používat automaticky pro jistotu, protože potvrzená komunikace přidává downlink a při nedoručení potvrzení může vést k dalším přenosům.

U stacionárních zařízení se stabilními rádiovými podmínkami může být vhodné využít ADR (Adaptive Data Rate), které pomáhá optimalizovat datovou rychlost a vysílací výkon.

Cílem tedy není nastavit paušálně "co nejnižší výkon" nebo "nejrychlejší komunikaci", konfigurace musí odpovídat konkrétním podmínkám instalace a požadavkům aplikace.

Reálné prostředí instalace mění energetický profil

Spotřeba naměřená při vývoji nemusí odpovídat spotřebě stejného zařízení po instalaci. Měřicí technika se běžně nachází v suterénech, šachtách, technických místnostech nebo kovových rozvaděčích, kde mohou být rádiové podmínky výrazně jiné než při laboratorním testování.

Horší podmínky spojení mohou znamenat delší nebo opakovanou komunikaci, u LoRaWAN se může změnit datová rychlost a airtime, u NB-IoT může síť pro udržení spolehlivé komunikace využívat opakování. Kvalita signálu proto není jen otázka toho, zda se data podaří doručit, je také jedním ze vstupů do energetického návrhu.

Totéž platí pro teplotu, nízké i vysoké teploty ovlivňují vlastnosti baterie a dostupný výkon. Energetický výpočet by měl vycházet z prostředí, ve kterém bude zařízení skutečně pracovat. Samotnému chování baterie, vlivu teploty, proudovým špičkám a problematice odhadu zbývající kapacity se podrobněji věnujeme v článku Životnost baterie v IoT: nad rámec datasheetu.

Chybové stavy patří do energetického rozpočtu taky

Tahle část energetického rozpočtu bývá snadno přehlédnutelná. Standardní scénář může být velmi úsporný: odečet, přenos, spánek. Jenže reálný provoz obsahuje i chybové stavy, kdy měřidlo neodpoví, NB-IoT modem se nepřipojí k síti, LoRaWAN zařízení nedostane očekávané potvrzení, data se nepodaří odeslat. Každý další pokus prodlužuje aktivní dobu zařízení, a špatně nastavená logika opakování proto může změnit energetický profil právě v okamžiku, kdy jsou podmínky nejhorší.

Energetický rozpočet by proto neměl počítat jen s běžným provozem, ale i s tím, jak se zařízení chová při chybě.

Dobře navržené zařízení má mít definováno:

• kolikrát se pokus zopakuje
• jak dlouhé jsou timeouty
• jaký je interval mezi dalšími pokusy
• kdy se další pokusy odloží
• zda lze data uložit a odeslat později
• kdy se zařízení vrátí do úsporného režimu

‍

Nestačí tedy optimalizovat jen "happy path", kdy vše funguje napoprvé, pro životnost baterie je stejně důležité, jak se zařízení chová při dlouhodobém výpadku nebo zhoršených podmínkách.

Výdrž vychází z provozního scénáře

Teprve když jsou známé jednotlivé provozní stavy, dá se sestavit realistický energetický rozpočet. Pro základní odhad spotřebované kapacity je pro každý stav potřeba znát proud, dobu trvání a četnost jeho opakování, hodnoty jednotlivých stavů se pak sečtou:

• spánek: klidový proud krát doba ve spánku
• odečet: proud během odečtu krát délka krát počet odečtů
• zpracování: odběr aktivní elektroniky krát doba zpracování
• komunikace: odběr komunikační části krát délka krát počet přenosů
• periferie: její odběr krát doba napájení
• chybové stavy: spotřeba jednoho pokusu krát očekávaný počet opakování

‍

Výsledkem není univerzální údaj o životnosti zařízení, ale odhad pro konkrétní konfiguraci a konkrétní provozní scénář. Do výpočtu je navíc potřeba zahrnout rezervu, protože nominální kapacita baterie není za všech podmínek plně využitelná a výslednou životnost ovlivňuje mimo jiné teplota, stárnutí baterie a charakter odběru.

U bateriových ACRIOS převodníků se podle konkrétního zařízení a konfigurace používají například battery packy D (19 000 mAh) a D2 (38 000 mAh), tyto hodnoty slouží jako referenční vstup do výpočtu, ne jako garantovaná výdrž bez ohledu na konfiguraci.

Proto by údaj typu "až 10 let" měl vždy vést k další otázce: při jaké konfiguraci a za jakých provozních podmínek. V aplikacích, kde je potřeba sledovat skutečně odebraný náboj v průběhu provozu, lze využít coulomb counting. Principu a jeho využití se podrobně věnujeme v článku Coulomb meter: Vše, co potřebujete vědět.

Checklist: co ověřit před nasazením bateriového IoT zařízení

Před finálním nastavením projektu je vhodné znát odpovědi na tyto otázky:

1. Jak často je skutečně potřeba měřidlo odečítat?
2. Jak často je potřeba data odesílat?
3. Dá se víc naměřených hodnot odeslat společně?
4. Co všechno zařízení během odečtu aktivuje nebo napájí?
5. Jaký je klidový odběr celého zařízení mezi odečty?
6. Je potřeba potvrzení každé zprávy?
7. Jak rychle musí být zařízení dostupné pro downlink?
8. Jaké jsou reálné rádiové a teplotní podmínky v místě instalace?
9. Co zařízení udělá při neúspěšném odečtu nebo přenosu?
10. S jakou rezervou počítá odhad životnosti?

‍

Pokud některá z těchto odpovědí chybí, údaj o očekávané životnosti baterie je stále založený na neúplném provozním scénáři.

Výdrž baterie je výsledkem konfigurace celého systému

Životnost bateriového IoT zařízení nevzniká jedním nastavením, je výsledkem stovek až tisíců opakovaných provozních cyklů. Úspora několika sekund aktivního provozu nemusí při jednom odečtu působit významně, pokud se ale stejný cyklus opakuje několikrát za hodinu po mnoho let, rozdíl se násobí. Totéž platí pro klidový odběr, zbytečné retransmise nebo nevhodně nastavené timeouty.

Užitečnější otázka proto než "jak velkou má zařízení baterii" zní: jak vypadá jeho energetický profil v konkrétním provozu dané instalace. Právě na ni by měl navazovat výpočet očekávané životnosti i nastavení zařízení před nasazením.

Slovníček pojmů

• ‍Energetický profil: přehled provozních stavů zařízení, jejich spotřeby, délky trvání a četnosti, slouží jako základ pro odhad dlouhodobé spotřeby.‍
• Deep sleep: nízkopříkonový provozní stav, ve kterém jsou nepotřebné části zařízení vypnuté nebo omezené a zařízení čeká na další událost nebo plánované probuzení.‍
• PSM (Power Saving Mode): úsporný režim mobilních IoT sítí, ve kterém zařízení výrazně omezuje spotřebu, ale není běžně dosažitelné pro komunikaci ze sítě.‍
• eDRX (extended Discontinuous Reception): mechanismus mobilních sítí prodlužující intervaly, ve kterých zařízení kontroluje příchozí komunikaci.‍
• ADR (Adaptive Data Rate): mechanismus LoRaWAN pro optimalizaci datové rychlosti a vysílacího výkonu podle podmínek spojení.‍
• Confirmed uplink: LoRaWAN uplink, u kterého zařízení očekává potvrzení přijetí ze sítě, vhodný tam, kde to aplikace skutečně vyžaduje, ne automaticky pro každou telemetrickou zprávu.‍
• Retry / retransmise: opakování neúspěšného odečtu nebo komunikace, jejich četnost a načasování mohou významně ovlivnit celkovou spotřebu.‍
• Coulomb counting: metoda založená na průběžném měření a integraci proudu, která umožňuje sledovat množství náboje odebraného z baterie. U baterií, kde samotné napětí neposkytuje spolehlivou informaci o zbývající kapacitě, může sloužit jako podklad pro její odhad.‍
• Battery pack D / D2: standardní kapacity baterií používaných v bateriově napájených ACRIOS převodnících, 19 000 mAh, respektive 38 000 mAh.