Akkumulátoros mobil IoT-érzékelők Quectel BC66-tal és Sensirion SHT4x-el

Kersten Heins úr az ültetvényeken lévő fák egészségi állapotának nyomon követési példáján keresztül mutat be egy egyszerű távoli IoT-megoldást. Nem igényel karbantartást és hosszú élettartamának köszönhetően a mezőgazdaságban, valamint a gazdaság más ágazataiban is használható.

Távoli helyek megfigyelése tipikus IoT-alkalmazás, de a célhasználati esetek eltérőek lehetnek. Előfordul, hogy a megfigyelt paraméterek nem változnak gyorsan és önmagukban sem kritikusak, de a cégtulajdonosok rendszeres frissítést kérnek, például néhány óránként. Vegyük például a „fa-érzékelőt”. Ez egy IoT-megoldás, amely figyeli a fák állapotát, és különösen a mezőgazdasági területeken lehet érdekes. Az elemes IoT-érzékelő eszköz egy referenciafára van felszerelve, ahol olyan környezeti adatokat gyűjt, mint például a páratartalom (vagy szárazság), amelyek alapvető információk az ültetvénytulajdonosok számára a növekedés és a hozam optimalizálása érdekében.

Akkumulátoros mobil IoT-érzékelők Quectel BC66-tal és Sensirion SHT4x-el

Általában ezeket a faérzékelőket ott helyezik el, ahol nem áll rendelkezésre tápellátás és LAN. Éppen ezért az IoT-eszközt akkumulátorról kell táplálni, és a mobilhálózat biztosítja, hogy (szinte) mindenhol használható legyen. Ezen kívül a faérzékelőnek teljes életciklusa alatt „zero-touch“ jellemzőkkel kell bírnia - 100% -ban karbantartásmentesnek kell lennie, és évekig ne igényeljen akkumulátorcserét vagy töltést. Ez azt jelenti, hogy az IoT-érzékelőnket a maximális energiahatékonyságra kell tervezni.

obr2798_p0c2d631cba8f.jpg
A fa-érzékelő csak egy példa arra, hogy az új, alacsony energiaigényű mobil IoT-technológiák, mint például az NB-IoT, miért ösztönzik az iparágat új IoT üzleti ötletek megalkotására. Sok más, ehhez hasonló IoT-használati példa létezik akár a mezőgazdasági ágazatban, akár ipari és fogyasztói célokra. Például:
 

  • mérőműszer a siló töltési szintjéhez, 
  • folyadékáramlás-érzékelő, amely jelzi a használatot és jelzi a csővezetékek szivárgását,
  • eszközök a tárgyak nyomon követésének és észlelésének különféle eseteihez, 
  • eszközkövető, amely egy értékes mobil objektum földrajzi helyzetét biztosítja.

Ezek jellemzően „push” alkalmazások, ahol az IoT-eszköz az idő nagy részében inaktív, csak időnként „ébred fel”, amikor egy fix ütemezés vagy külső esemény aktiválja. Az NB-IoT egy mobilhálózati technológia (LPWAN = kis teljesítményű nagy kiterjedésű hálózat), amelyet kifejezetten az ilyen követelmények teljesítésére fejlesztettek ki, pl. ha helyhez kötött IoT eszközöket használnak kis és hasznos adatcsomagok ritka továbbítására.

obr2798_p2253071ca9a2.jpg
A hálózati interfész modul (más néven „modem”) a cellás IoT-eszközök kulcsfontosságú összetevője. A Quectel (http://www.quectel.com/) vezető gyártó ezen a területen. A Quectel BC66 NB-IoT modul teljes mértékben megfelel az akkumulátoros IoT eszközökkel szemben támasztott összes követelménynek.

Környezetérzékelő szakértőként a Sensirion (www.sensirion.com) termékek széles skáláját kínálja különféle paraméterekhez, mint például páratartalom, hőmérséklet, illékony szerves vegyületek, NOx (nitrogén-oxid), formaldehid vagy CO2. Mindegyikük I2C interfészt kínál az IoT-eszközökbe való egyszerű integrációhoz, valamint alacsony fogyasztású üzemmódokat az akkumulátoros alkalmazásokhoz.

A kedvezőtlen környezeti feltételekkel szembeni jobb védelem érdekében az NB-IoT antennát ajánlott az IoT-eszköz házába szerelni. A 2J Antennas belső használatra szánt öntapadós és kisméretű antennái ideálisak erre a célra.

Akkumulátoros mobil IoT-érzékelők Quectel BC66-tal és Sensirion SHT4x-el

1. ábra: Elemről működő NB-IoT környezeti érzékelő – blokkdiagram

Az SOS electronic az összes említett Quectel, Sensirion és 2J Antennas márka termékeinek hivatalos szállítója. Az alacsony fogyasztású IoT megoldás kiegészítéseként az SOS electronic kínálatában a lítium akkumulátorok széles választéka megtalálható a Fanso, a Xeno és az EVE gyártóktól.

Alacsony fogyasztású kialakítás NB-IoT-vel és Quectel BC66-tal

Az IoT-eszközök energiafogyasztásának lehető legnagyobb mértékű csökkentése érdekében az NB-IoT hálózati technológia egy energiatakarékos üzemmódnak (röviden: PSM) nevezett hatékony funkciót kínál, amely lehetővé teszi az NB-IoT-eszközök számára a hálózati interfész legtöbb részének kikapcsolását, - beleértve az RF-rész adó-vevőjét is – egy meghatározott inaktivitási időre.

Ennek az intervallumnak az időtartamát a T3412 hálózati időzítő (más néven „TAU Timer”) határozza meg, amelyet elsősorban az NB-IoT eszköz használ rendszeres követési területfrissítés (TAU) végrehajtására. Ez egy szabványos LTE-funkció, amely figyelmezteti a felhasználói berendezések elérhetőségét a csatlakoztatott hálózaton. Miután az eszköz sikeresen csatlakozott a hálózathoz, a PSM intervallumok alatt is csatlakoztatva marad, de az átviteli tevékenység szünetel, amíg a T3412 időzítő lejár. A hosszabb PSM periódusok természetesen alacsonyabb energiafogyasztást eredményeznek. Az IoT használati jellegétől függően a fejlesztőn múlik, hogy meghatározza azt az ideális időtartamot, amely alatt eszköze PSM módban marad. A 3GPP specifikáció szerint a T3412 akár 413 napos (!) PSM-intervallumra is programozható. 

Akkumulátoros mobil IoT-érzékelők Quectel BC66-tal és Sensirion SHT4x-el

2. ábra: Időszakos eszköztevékenység (leegyszerűsítve)

Az akkumulátorral működő „push” eszközre vonatkozó tervezési koncepciónk azon az elgondoláson alapul, hogy az összes helyi IoT-tevékenységet egy periodikus időszak alatt kezeljük (2.ábra), azaz az érzékelő leolvasását, függőben lévő üzenetek fogadását (pl.kezelői távirányító), IoT hasznos adatátvitelt.

Az idő nagy részében (körülbelül 99,99%) a készülék mély alvó üzemmódban marad, és ez alatt csak néhány µA-t fogyaszt. A T3412 lejárta után a Quectel BC66 modul lekéri a függőben lévő üzeneteket a hálózatról, ha vannak ilyenek. A vételi események során a modul 30 mA körül fogyaszt, uplink átvitelnél 200 mA körül, 23 dBm kimeneti teljesítmény mellett. Idővel a rövid energiafogyasztási csúcsok gyakorisága és időtartama jelentős hatással lesz az akkumulátor élettartamára. Nem meglepő, hogy az aktivitási időszakok gyakoriságának megduplázása (például napi egyszeriről napi kétszerire) felére csökkenti az akkumulátor élettartamát.

Ezen kívül sok más szempont is hozzájárul a készülék teljes energiafogyasztásához. Például az eszköz antennájának elhelyezkedése és impedanciaillesztése kritikus tervezési szempontok, amelyek nagyban befolyásolják az RF teljesítményt. A kimeneti teljesítmény maximalizálásához egy adott NB-IoT frekvencián szükség van az antenna beállítására. Általában az eszköz elhelyezkedése befolyásolja az energiafogyasztást, és a bázisállomástól való távolságnak a lehető legkisebbnek kell lennie a jel hatékonyságának és minőségének maximalizálása érdekében. Ez kritikus pont, mert kerülni kell az akkumulátorral működő eszközök 2. lefedettségi szintű (CE) működését. Ez az NB-IoT funkció segít lefedettséget biztosítani a nehezen elérhető területeken, de működik iterációkkal és extra hibajavító kódokkal, amelyek drámaian megnövelik a hasznos adatok többletterhelését és átviteli idejét. A megvalósítás szempontjából tehát előnyös az MVNO-val ("virtuális" hálózatüzemeltetővel) dolgozni. Lehetővé teszi, hogy több olyan hálózat közül válasszon, amelyekhez csatlakozni lehet. (A témakör további magyarázatához ld. az 5. hivatkozást)

A Quectel BC66 modul számos lehetőséget kínál az alacsony fogyasztású eszközök tervezésének támogatására az NB-IoT PSM funkció segítségével (Quectel BC66_Hardware_Design_V1.4). A PSM állapotba való belépésre vonatkozó NB-IoT hálózati kérést az IoT eszköz kezdeményezheti AT paranccsal, amely lehetővé teszi az eszköz számára, hogy az egyeztetett PSM intervallumon belül hibernálódjon. Mély alvó módban az UART interfész nem működik, és csak kétféleképpen lehet a modult aktív állapotba visszaállítani: 

  1. a belső periodikus TAU időzítő lejárta után,
  2. külső ébresztő esemény által. 

A külső ébresztési eseményeket a Quectel BC66 modul PSM_EINT lábának átkapcsolása jelzi. A módszer egy előre meghatározott helyi eseményre alkalmazható, pl. a küszöbérték túllépése (pl. "túl meleg"), vagy ha tárgyat észlelt. Ez egy újabb jellegzetes "push" IoT alkalmazás, amelyet a Quectel BC66 az NB-IoT hálózattal együttműködve képes megoldani. De a "fa-érzékelő" példánkban az említett belső periodikus TAU időzítőt használjuk az ébresztéshez.

obr2798_p88b2dd894ca0.jpg

Az akkumulátorral működő "push" eszköz koncepciója

Az előre beállított PSM-szakaszok során az összes eszközösszetevő úgy van beállítva, hogy a saját üresjárati üzemmódjában működjön rendkívül alacsony energiafogyasztás mellett.

Például a Sensirion SHT4x páratartalom érzékelő max. 1 µA-t vesz fel 25 °C-on (4. hivatkozás). Az IoT-eszköz hosszú élettartamának eléréséhez mindhárom fő összetevő energiagazdálkodási funkcióit megfelelően össze kell hangolni: BC66 Quectel hálózati modul, MCU host és érzékelő (1. ábra - blokkdiagram).
 A fő feladatot ketten végzik felváltva: Az IoT alkalmazást az MCU host végzi, de az ébresztéskezelést a Quectel BC66 cellás modul végzi az NB-IoT hálózattal együttműködve. Ez a VDD_EXT kimeneti lábon keresztül történik - egy külső indikátor, amely jelzi, hogy a BC66 modul jelenleg hibernált módban van.

Valahányszor a Quectel BC66 visszatér a mélyalvásból, VDD_EXT jele felébreszti az MCU host-ot, és a beépített IoT-alkalmazást (firmware-t), hogy átvegye az IoT-eszköz irányítását – az alkalmazási követelményeknek megfelelően. Ennél a szoftvernél a regisztrált hálózathoz való újra csatlakozás és a függőben lévő downlink üzenetek kérése lesz az első teendő. A szenzorchip felébresztését és a mérési ciklus elindítását szintén minden egyes tevékenységi perióduson belül el kell végezni (2. ábra). Miután ez megvan, az MCU adatokat továbbít a BCT IoT érzékelőjétől, kéri az adatok konvertálását a kiválasztott protokollformátumra (pl. UDP vagy MQTT), és kezdeményezi az adatátvitelt a mobilhálózaton keresztül. Végül az MCU kéri a BC66-tól a következő PSM-periódus elindítását, és az IoT-eszköz újra belép a meghatározott végtelen tevékenység- és PSM-ciklusokba.

Végül az egyes komponensek energiafogyasztása az összes aktív és tétlen időszak alatt összeadódik az IoT-eszköz teljes energiafogyasztásával. Esetünkben egy 8 bites MCU-t és az 1 µA-nál kevesebbet fogyasztó, alacsonyfogyasztású üresjárati üzemmóddal rendelkező SHT4x érzékelőt választottuk. Számításunkhoz feltételezzük, hogy 12 óránként lesz egy tevékenységi szakaszunk (azaz az IoT-adatokat naponta kétszer jelentjük), amely egyenként 5 másodpercet vesz igénybe. Ezekben az aktív időszakokban az eszköz energiafogyasztását az a rádiófrekvenciás teljesítmény fogja uralni, amely az IoT-adatcsomag újra csatlakozásához és a hálózathoz történő továbbításához szükséges.

Alkalmazásunkban a kiválasztott komponensek, valamint a rövid tevékenységi periódusokra és a hosszú PSM periódusokra beállított paraméterek kb. 275 mAh évente (lásd az 5. hivatkozást a részletesebb magyarázatért és számítást elősegítő táblázatért). Ezzel a megközelítéssel egy szilárd, 3000 mAh-s AA lítium akkumulátor bámulatos, 10,9 éves vezeték nélküli élettartamot biztosít – ez egy kiváló távoli IoT-megoldás, amely szinte bárhol használható.


További Quectel, Sensirion termékekkel kapcsolatos információra vagy a választást elősegítő műszaki tanácsra van szüksége? Esetleg egyéb kérése, kérdése van? Töltse ki az alábbi űrlapot, és örömmel segítünk!

* A csillaggal (*) jelölt adatok megadása kötelező.

obr2798_p91265a7e9147.jpg

Ne maradjon le a hasonló cikkekről!

Önnek is tetszenek cikkeink? Ne maradjon le egyről sem! Nem kerül erőfeszítésébe, mi eljuttatjuk Önhöz.

Összefüggő cikkek

Fő termékek


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

NB-IoT modul 17,6x15,7mm

GSM / UMTS / LTE / 5G modulok

Cikkszám: 343186
Gyártó: QUECTEL
raktáron 0 db
(A szállítási határidőt ellenőrizzük: 500 db)
1 db-tól
5 db-tól
25 db-tól
50 db-tól
100 db-tól
250 db-tól
3 610,00 Ft
3 510,00 Ft
3 420,00 Ft
3 320,00 Ft
3 230,00 Ft
3 130,00 Ft
Megrendelem:
  • Kosárba helyez
  • Árat lekérdez
  • A Kedvencekhez ad
  • Figyelemmel követés
  • Összehasonlításhoz hozzáad

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

Cellular antenna LTE mikro koax 1,37 0,1m U.FL

Antennák

Cikkszám: 264410
Gyártó: 2J
raktáron 467 db
1 db-tól
10 db-tól
50 db-tól
100 db-tól
2 450,00 Ft
2 110,00 Ft
1 890,00 Ft
1 720,00 Ft
Megrendelem:
  • Kosárba helyez
  • Árat lekérdez
  • A Kedvencekhez ad
  • Figyelemmel követés
  • Összehasonlításhoz hozzáad

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

5G antenna, ragasztott rögzítés, flexi, mikro koax fekete 1,37mm, 18cm U.FL aranyozott

Antennák

Cikkszám: 342732
Gyártó: 2J
raktáron 23 db
1 db-tól
2 db-tól
20 db-tól
80 db-tól
2 400,00 Ft
2 320,00 Ft
1 950,00 Ft
1 810,00 Ft
Megrendelem:
  • Kosárba helyez
  • Árat lekérdez
  • A Kedvencekhez ad
  • Figyelemmel követés
  • Összehasonlításhoz hozzáad

SHT 41_ BOB VARIOUS  
SHT 41_ BOB new

Break out Board with SHT41-AD1B-R2 ±1.8% RH ±0,2°C

Páratartalom érzékelők

Cikkszám: 373380
Gyártó: VARIOUS
raktáron 81 db
1 db-tól
1 750,00 Ft
Megrendelem:
  • Kosárba helyez
  • Árat lekérdez
  • A Kedvencekhez ad
  • Figyelemmel követés
  • Összehasonlításhoz hozzáad

SHT41-AD1B-R2 SENSIRION  
SHT41-AD1B-R2

Páratartalom és hőmérséklet szenzor I2C DFN4

Páratartalom érzékelők

Cikkszám: 358574
Gyártó: SENSIRION
raktáron 1724 db
1 db-tól
500 db-tól
2500 db-tól
843,00 Ft
682,00 Ft
614,00 Ft
Megrendelem:
  • Kosárba helyez
  • Árat lekérdez
  • A Kedvencekhez ad
  • Figyelemmel követés
  • Összehasonlításhoz hozzáad
Egyetért a sütik tárolásával?
Üdvözöljük az SOS electronic weboldalán. Mielőtt belépne online világunkba, szeretnénk megkérni, hogy engedélyezze, hogy sütiket (cookie) tároljunk böngészőjében. Hozzájárulása segít abban, hogy hibamentesen nézhesse meg oldalunkat, mérjük annak teljesítményét és egyéb statisztikákat készíthessünk. Mindemellett termékeinket és szolgáltatásainkat szó szerint személyre szabottan tudjuk így kínálni. Harmadik felek számára is biztosítunk sütiket. Nálunk azonban biztonságban érezheti magát.
A weboldal megfelelő működése
Stabilabb műszaki ellenőrzés
Jobb marketing ajánlat

Bővebben a sütikről
Bővebben a személyes adatok kezeléséről