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Sensor de temperatura y humedad conectado a la nube


Sensor ambiental multiprotocolo GPRS / NB-IoT / LTECatM1 conectado

El IoT-TH, es un equipo para monitorización de temperatura y humedad con comunicación a la nube. El equipo se ofrece en dos variantes:

  • Sistema autónomo a baterías, para escenarios en el que no hay acceso a fuentes de energía externas.
  • Sistema con alimentación externa y batería de «backup». La entrada de alimentación externa es de 5V. En caso de interrupción temporal de la alimentación, el equipo lo detecta y la batería permite que el equipo siga funcionando.

El dispositivo ofrece las siguientes características:

  • Alimentación a baterías en modo continuo.
  • Alimentación externa con sistema de baterías para mantener el funcionamiento con cortes de tensión.
  • Monitorización de temperatura y humedad ambiente.
  • Conectividad mediante operadores de tecnología móvil. 
    • Compatibilidad con el estándar GPRs.
    • Uso de modos de IoT: Cat M1 y NB-IoT.
  • Uso de protocolos estándares como MQTT para conectividad en la nube.
  • Parámetros configurables:
    • Período de envío.
    • Período de toma de muestras.
  • Actualización inalámbrica vía OTA.
  • Bajo demanda e pueden incorporar las siguientes funcionalidades:
    • Localización en exteriores mediante GPS.
    • Monitorización de zonas de refrigeración mediante sondas externas con rango de temperatura extendido.
    • Generación de alarmas por umbral.
    • Anclajes para pared.
    • Conector para hacer uso de fuente de alimentación genérica disponible en la instalación del cliente.

Comunicaciones:

El equipo tiene capacidad para establecer comunicación contra la plataforma propia de M2C Solutions y contra plataformas comerciales de terceros como:

Para comunicarse el equipo hace uso del protocolo estándar MQTT

Uso de protocolo MQTT:

Se usa MQTT para conectarse a los servicios en la nube.

Se trata de un protocolo estándar en infraestructuras IoT, y por ello, está soportado por las nubes comerciales de las principales compañías del mercado.

Para establecer la comunicación del dispositivo contra plataforma se hace uso de la red de telefonía móvil mediante un módem multi-protocolo que hace uso de las nuevas tecnologías orientadas al mundo del Internet de las cosas IoT.

Uso de redes inalámbricas de telefonía móvil:

El módem multiprotocolo tiene características de bajo consumo. Las tecnologías de acceso que ofrece son:

La primera de las tecnologías lleva desplegada durante más de 10 años, por lo que garantiza que el equipo tenga cobertura en áreas donde las nuevas tecnologías de acceso no hayan sido desplegadas.

La segunda y tercera tecnología, están orientadas a conectividad IoT. Estas tecnologías permiten:

  • Reducir el consumo energético de los equipos aumentando su autonomía.
  • Ampliar la cobertura, especialmente en el caso de Cat-NB1.

Bajo consumo:

La autonomía del equipo en la referencia sin alimentación externa y en función del modo de funcionamiento es:

  • En modo GPRs:
    El equipo tiene un tiempo de vida de 6 meses. (*)
  • En modo LTE Cat M1 ó Cat NB1:
    La autonomía del equipo se amplia a 24 meses. (*)

(*) Estos datos son asumiendo una toma de muestras cada 5 minutos y realizando un envío diario periódico y un envío de alarma asíncrona una vez cada 15 días.

Mediante la configuración del equipo:

  • Reduciendo el número de envíos
  • Reduciendo la tasa de muestreo

Se pueden conseguir autonomías superiores.

Bajo demanda se ofrece la posibilidad de hacer uso de una batería con capacidad superior para aumentar la autonomía del equipo.

El dispositivo tiene capacidad para actuar como data logger si:

  • No hay cobertura del operador y/o tecnología de acceso utilizado.
  • En caso de que se quiera aumentar la autonomía del equipo.

Data logger

Se pueden almacenar hasta 3 meses de muestras de humedad y temperatura (almacenando una muestra cada 5 minutos) en la memoria del dispositivo.

Sensor de temperatura y humedad.

El dispositivo dispone de un sensor de temperatura y humedad. Sus características son:

  • Temperatura:
    • Rango de medida: -10ºC hasta 60ºC.
    • Precisión: +/- 0.25ºC a 25ºC.
    • Resolución: 0.01ºC.
  • Humedad:
    • Rango de medida: 5% hasta 95%.
    • Precisión: +/- 3% RH a 25ºC.
    • Resolución: 0.1%.

Conexión directa a la Nube de M2C Solutions

M2C Solutions, ofrecemos un servicio que ofrece:

  • Integración de datos.
  • Generación de alarmas.
  • Posibilidad de actualizaciones remotas (OTA).

Opciones bajo demanda:

El equipo permite cierta adaptación en función de las necesidades del cliente. Las opciones que ofrece son:

1. Personalización de plataforma.

Se ofrece la posibilidad de adaptar el equipo a:

  • La nube del cliente.
  • Un scada propio.
  • Nube de terceros.

2. Sondas de temperatura externas con rango extendido.

El equipo se puede equipar con sondas externas. Lo que permite extender el rango de medida y lo hace óptimo para monitorizar puntos refrigerados.

Se pueden equipar hasta un máximo de 3 sondas de temperatura externas. Estas sondas permiten manejar un rango de temperatura extendido que va desde los -55ºC y los 150ºC.

3. Generación de alarmas de umbral.

El equipo puede generar envíos asíncronos en caso de detectar alarmas previamente configuradas.

4. Opción de posicionamiento GPS:

El equipo dispone de la posibilidad de incluir posicionamiento GPS en exteriores. Gracias a esta opción se puede utilizar para:

  • Seguimiento de activos.
  • Monitorización de cadena de frío (vehículos con refrigeración).
  • Posicionamiento de sensores en exteriores.

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.