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La autonomía de los dispositivos IoT


Caso práctico: sensor de temperatura y humedad conectado sobre NB-IoT

Narrowband IoT (NB-IoT) es la tecnología que han puesto en marcha los operadores de telefonía para dar respuesta a las necesidades de conectividad que presenta la Industria 4.0 y el mercado del Internet de las Cosas (IoT)

Se caracteriza por trabajar en una banda de frecuencia, un ancho de banda y una modulación que permiten maximizar el ratio cobertura/consumo. Pudiéndose, de este modo, lograr equipos con bajo consumo y largo alcance.

Desde M2C Solutions presentamos nuestro equipo Nimbus-TH, como un caso de aplicación de la tecnología NB-IoT. Para estas pruebas de autonomía, el equipo se ha desplegado mediante la red ofrecida por Telefónica. Gracias a este equipo se unen dos mundos: la industria y el IoT.

Se trata de un equipo alimentado a baterías que registra datos de temperatura y humedad. El funcionamiento del Nimbus-TH es sencillo. Adquiere los datos (temperatura y humedad), hace un pre-análisis y toma una decisión:

  • Almacena los datos para su posterior envío.
  • Envía los datos de manera instantánea. Esto se realiza en caso de:
    • Se alcance el período de envío de datos, es decir el tiempo máximo que el servidor puede estar sin recibir datos del Nimbus-TH.
    • Se detecte una anomalía, entendiendo como tal, una modificación en algún parámetros que supere un umbral previamente configurado.

Descripción del equipo Nimbus-TH

El producto presentado, como hemos comentado realiza medidas de temperatura y humedad periódicamente y los envía hacía la nube. El sistema funciona tal y como se explica a continuación:

  • Una toma de datos cada 10 minutos (temperatura y humedad).
  • Un envío hacia la plataforma de datos cada 4 horas. Estos envíos se realizan agregando los datos obtenidos en cada una de las medidas.
  • En caso de que la temperatura o humedad tomadas cada 10 minutos, presenten una desviación respecto a la última medida de +/- un valor, se procede a realizar un envío extra. Este valor es configurable por el usuario. Para los cálculos de consumo se asume una media de 3 eventos de envío asíncrono diarios.

El sistema presenta las siguientes características:

  • Operado por baterías. Duración superior a 2 Años con dos baterías AA Li-SOCl2, de 3.6V y 2600mA cada una, con la temporización descrita; pudiendo llegar a los 10 años de autonomía si reducimos la tasa de envío a uno diario
  • Es compatible con el estándar NB-IoT.
  • Las medidas de temperatura y humedad presentan la siguiente especificación:
    • Humedad relativa:
      • Precisión: +/-2%
      • Desviación temporal: +/-0.25 %/Año
    • Temperatura:
      • Precisión (entre 5 y 60ºC): +/-0.4ºC
  • Soporte de actualizaciones vía OTA.

Caracterización de la autonomía

Para optimizar y maximizar la autonomía del dispositivo IoT, primero tenemos que entender cómo se distribuye el gasto energético del equipo. Para ello, distinguiremos los siguientes orígenes del consumo:

  • Envío y recepción por NB-IoT.
  • Equipo dormido.
  • Lectura de sensores.
  • Tareas adicionales.

Cada uno de ellos tendrá un peso sobre el consumo total del equipo, afectando a la vida útil de la batería del Nimbus-TH.

Consumo por envío y recepción sobre NB-IoT

Representa la energía consumida por una acción de envío y recepción de datos a la plataforma de datos, a través de la red NBIoT. En este evento se tienen en cuenta:

  • El consumo del procesado de los datos.
  • Ineficiencias intrínsecas de la electrónica.
  • Los períodos de comunicación con la estación base del operador. En este punto se incluye la adquisición y liberalización de recursos y la negociación con el operador.
  • El envío de los datos.
  • La recepción de datos asociada a un envío.

En la imagen se muestra un ejemplo de distribución de energía para entender mejor la energía necesaria.

Para que entendamos la importancia de esta grafica comentaremos, que la energía consumida es el área total de esta gráfica.

Consumo en modo dormido

Es importante tener en cuenta esta fuente de consumo desde las primeras fases de diseño hardware del equipo, ya que, como veremos más adelante, puede suponer un porcentaje no despreciable sobre el gasto energético total del equipo. Además, el firmware del equipo deberá implementar técnicas de low power para minizar el consumo en este estado, configurando cada uno de los componentes hadware en un modo de ultra bajo consumo. En este modo, se apaga todo lo que no es necesario y se reduce el consumo a la mínima expresión.

Consumo de lectura de sensor y tareas adicionales.

Vamos a distinguir dos conceptos, por un lado:

  1.  Lectura del sensor.
    Como el equipo se encuentra en modo dormido la mayor parte del tiempo, es necesario activar un conjunto de elementos para proceder a medir el sensor.
  2. Por último procedemos a las: tareas adicionales.
    En este apartado se agrupan el conjunto de tareas de mantenimiento del sistema que se realizan periódicamente, en ellas se incluyen:

    • supervisión de errores,
    • gestión de temporización del sistema.

Gracias a este enfoque se puede tener el equipo la mayor parte del tiempo en un estado de muy bajo consumo, el modo «dormido», y sólo consumir energía cuando es necesario.

Análisis de la autonomía del Nimbus-TH

Caso de uso estándar

Presentaremos los datos de funcionamiento del equipo, en cada uno de los estados, en la siguiente tabla:

Períodos de ejecución de tareas
Concepto Tiempo (Minutos) Tiempo (Horas)
Tiempo entre lecturas de Temperatura y humedad 10 0,17
Tiempo entre envíos estándar 240 4
Envíos extraordinarios (3 al día) 480 8

El gasto energético diario se observa en la siguiente imagen:

Como se puede observar, la mayor parte se debe a las transmisiones sobre Narrowband IoT, ya que aproximadamente el 80% de la energía se gasta en enviar los datos. En la siguiente imagen se muestra la distribución porcentual:

Con los datos anteriormente citados, obtendríamos una autnomía de 2 años y 3 meses.

Caso de uso reduciendo la frecuencia de envío de datos

Para ayudarnos a entender como el número de transmisiones ayuda a conseguir una duración de batería mayor, presentaremos otro escenario posible para el Nimbus-TH. Ahora, reduciremos la comunicación con nuestra plataforma de datos IoT a un único envío diario. De esta forma, tenemos la siguiente temporización:

Períodos de ejecución de tareas
Concepto Tiempo (Minutos) Tiempo (Horas)
Tiempo entre lecturas de Temperatura y humedad 10 0,17
Tiempo entre envíos estándar 1440 24
Envíos extraordinarios (ninguno)

De esta forma, el consumo debido a los envíos por NB IoT pierde importancia, siendo el provocado por el modo dormido el de mayor impacto, como puede verse en las siguientes gráficas:

Con esta reducción en la tasa de envíos, conseguimos que la partida energética destinada al modo dormido, pase a estar en el mismo orden de magnitud que la destinada a los envíos. Por lo tanto, se consigue que la autonomía del equipo IoT se incremente hasta los 8 años y 6 meses. De esta forma, se comprueba como se consigue incrementar la vida útil de la batería a costa de una agrupación en el envío de las medidas. Es decir, enviamos menos veces, pero enviamos la misma cantidad de información.

Conclusiones

  • Se pueden conseguir mediante NB-IoT 8 años de autonomía con una tasa de envío de uno diario.
  • Es de vital importancia que el enfoque de bajo consumo se aplique desde el comienzo del diseño hardware del dispositivo IoT.
  • La distribución de las fuentes del consumo energético, especialmente la del sleep mode y la de conectividad con la red del operador móvil de NB-IoT, varían en función de la tasa de transmisión con la que se configure el equipo.