Sensori IoT cellulari a batteria con Quectel BC66 e Sensirion SHT4x

Prendendo ad esempio il monitoraggio dello stato di salute degli alberi nelle piantagioni, Kersten Heins presenterà una semplice soluzione IoT da remoto, che non richiede manutenzione, gode di una lunga durata e può essere utilizzata nell’agricoltura e in altri settori dell’economia.

Il monitoraggio di una posizione remota è una tipica applicazione IoT, ma i casi d’uso di destinazione potrebbero differire. A volte, i parametri osservati non cambiano rapidamente e non sono di per sé critici, ma i committenti chiedono aggiornamenti regolari, ad esempio ogni poche ore. Prendiamo il caso di un "sensore ad albero", una soluzione IoT che monitora lo stato di salute degli alberi ed è di particolare interesse per le aree coltivate, ad esempio per una piantagione di noci. A tale scopo, un dispositivo IoT con sensore alimentato a batteria viene montato su un albero di riferimento dove raccoglie alcuni dati ambientali come l’umidità (o la corrente d’aria), informazioni essenziali per i proprietari delle piantagioni che vogliono ottimizzare la crescita, la resa, ecc.

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In genere, questi sensori ad albero vengono installati in luoghi privi di alimentazione elettrica e di rete LAN. Pertanto, per questo tipo di caso d’uso, un dispositivo IoT dovrebbe essere alimentato da una batteria, e una rete cellulare dovrebbe garantirne l’utilizzo (quasi) ovunque. Inoltre, il sensore ad albero dovrebbe essere predisposto per un funzionamento "zero-touch" durante l’intero ciclo di vita del prodotto, ovvero dovrebbe essere 100% esente da manutenzione e non dovrebbe richiedere la sostituzione o la ricarica della batteria per molti anni. Ciò significa che il nostro sensore IoT dovrebbe essere progettato per ottenere la massima efficienza energetica.

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Un sensore ad albero non è che un esempio del fenomeno per cui le nuove tecnologie IoT cellulari a basso consumo, come NB-IoT, siano fonte di ispirazione per l’industria ai fini della creazione di nuove idee commerciali IoT. Esistono molti altri casi d’uso dell’IoT analoghi per il settore agricolo o per scopi industriali o di consumo, ad esempio:  


  • un dispositivo di misurazione del livello di riempimento di un silo;  
  • un sensore di flusso di liquido che segnala l’utilizzo e indica le perdite nelle condutture;
  • dispositivi per vari casi d’uso di sorveglianza e rilevamento di oggetti
  • un localizzatore di risorse che fornisce la posizione geografica di un oggetto mobile di valore.

Queste sono le tipiche applicazioni "push" in cui il dispositivo IoT è inattivo per la maggior parte del tempo e si "sveglia" solo occasionalmente, se attivato da una pianificazione fissa o da un evento esterno. NB-IoT è una tecnologia di rete cellulare (LPWAN = rete WAN a basso consumo) appositamente progettata per soddisfare questo tipo di requisiti, soprattutto se i dispositivi IoT fissi vengono utilizzati per la trasmissione non frequente di pacchetti di dati con piccolo carico utile. 

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Un modulo di interfaccia di rete (noto anche come "modem") è un componente fondamentale per i dispositivi IoT cellulari. Quectel (www.quectel.com) è un produttore di primo piano in questo settore. Il modulo NB-IoT Quectel BC66 soddisfa pienamente i requisiti di questo concetto di design per un dispositivo IoT a batteria.

Sensirion (www.sensirion.com), specialista nel campo dei sensori ambientali offre una vasta gamma di prodotti per una serie di parametri, quali umidità, temperatura, composti organici volatili ( COV), NOx (ossido di azoto), formaldeide e CO2. Tutti offrono Interfacce I2C per una facile integrazione nei dispositivi IoT e modalità a basso consumo per applicazioni a batteria.

Per una migliore protezione contro condizioni ambientali difficili, è necessario montare l’antenna NB-IoT all’interno dell’involucro del dispositivo IoT. Per questo scopo, 2J Antennas offre adesivi adatti e prodotti di piccole dimensioni per una soluzione integrata.

Sensori IoT cellulari a batteria con Quectel BC66 e Sensirion SHT4x

Immagine 1: Sensore ambientale NB-IoT alimentato a batteria - Diagramma a blocchi

Nota: SOS electronic è un fornitore qualificato di prodotti Quectel, Sensirion e 2J Antennas. Per completare la soluzione IoT a basso consumo, SOS electronic offre anche una vasta gamma di batterie al litio di Fanso, Xeno ed EVE.

Progettazione di potenza minima con NB-IoT e Quectel BC66 

Per favorire la riduzione del consumo energetico dei dispositivi IoT, la tecnologia di rete NB-IoT offre un’efficiente funzione denominata modalità di risparmio energetico (abbreviata in PSM, power saving mode) che consente a un dispositivo NB-IoT di spegnere la maggior parte dei componenti dell’interfaccia di rete, compresa la sezione RF del ricetrasmettitore, per un periodo di inattività prestabilito.

La durata di questo intervallo è determinata dal timer di rete T3412 (noto anche come "Timer TAU"), che viene utilizzato principalmente dal dispositivo NB-IoT per eseguire un aggiornamento periodico dell’area di tracciamento (TAU). Si tratta di una funzione LTE standard per notificare la disponibilità di un dispositivo utente alla rete connessa. Una volta connesso correttamente alla rete, il dispositivo rimane registrato durante gli intervalli di PSM, ma l’attività di trasmissione attenderà fino allo scadere del timer T3412. Per natura, periodi di risparmio energetico più lunghi comporteranno un minor consumo di energia. A seconda del caso d’uso IoT, ora spetta allo sviluppatore determinare il periodo di tempo ideale in cui il dispositivo deve rimanere in modalità di risparmio energetico. Secondo la specifica 3GPP, T3412 può essere programmato per restare in modalità di risparmio energetico fino a 413 giorni (!).

Sensori IoT cellulari a batteria con Quectel BC66 e Sensirion SHT4x

Immagine 2: Attività periodica del dispositivo (semplificata)

Durante i periodi di risparmio energetico definiti, tutto il traffico di download verso il dispositivo IoT registrato ma non raggiungibile verrà salvato nel buffer della rete. Il nostro concetto di progettazione per un dispositivo "push" alimentato a batteria si basa sull’idea che tutte le attività IoT locali vengano gestite durante un’unica fascia oraria periodica (Immagine 2), ovvero leggere il sensore, ricevere messaggi in sospeso (ad esempio, un comando di controllo remoto da parte dell’operatore), trasmettere i dati del carico utile IoT.

Per la maggior parte del tempo (circa il 99,99%), il dispositivo rimarrà acceso in modalità di sospensione profonda consumando pochi µA. Allo scadere di T3412, il modulo Quectel BC66 recupera i messaggi in sospeso dalla rete, se presenti. Durante gli eventi di ricezione, il modulo consuma circa 30 mA, mentre durante la trasmissione in uplink assorbe addirittura circa 200 mA con una potenza di uscita di 23dBm. Nel tempo, la frequenza e la continuità di questi brevi picchi di consumo avranno un impatto significativo sulla durata della batteria. Non sorprende che raddoppiando la frequenza dei periodi di attività (ad es. da una volta al giorno a due volte al giorno) la durata della batteria si dimezzi. 

Oltre a questo, tuttavia, sono molti altri gli aspetti che contribuiscono al consumo energetico complessivo del dispositivo. Ad esempio, il posizionamento e l’adattamento dell’impedenza dell’antenna del dispositivo sono aspetti critici della progettazione che incidono considerevolmente sulle prestazioni RF. Occorre adattare l’antenna per massimizzare la potenza di uscita a una specifica frequenza portante NB-IoT. In generale, la posizione del dispositivo incide sul consumo energetico e la distanza dal ripetitore collegato dovrebbe essere la più breve possibile per massimizzare l’efficienza e la qualità del segnale. Si tratta di un fattore critico, perché si dovrebbe evitare di far funzionare i dispositivi alimentati a batteria al livello 2 di estensione della copertura (CE). Questa funzione NB-IoT è utile per fornire copertura in aree difficili da raggiungere, ma funziona con ripetizioni e codici di correzione degli errori aggiuntivi che aumentano notevolmente il sovraccarico dei dati del carico utile e i tempi di trasmissione. Pertanto, dal punto di vista dell’implementazione, è vantaggioso lavorare con un MVNO (operatore di rete "virtuale") che consente di scegliere tra una serie di reti a cui connettersi, anziché limitarsi a una soltanto. Per ulteriori chiarimenti su questi argomenti, consultare Rif. 5.

Quectel BC66 offre diverse opzioni per supportare la progettazione di dispositivi a basso consumo sfruttando la funzione NB-IoT PSM (si veda Rif. 2). Il dispositivo IoT può richiedere alla rete NB-IoT di entrare nello stato di risparmio energetico tramite un comando AT, che consente al dispositivo di attivare la modalità di sospensione profonda per l’intervallo di PSM definito.

In modalità di sospensione profonda, l’interfaccia UART non funziona ed esistono soltanto due modi per riportare il modulo allo stato attivo: allo scadere del timer TAU periodico oppure tramite un evento di riattivazione esterno.

Gli eventi di riattivazione esterni sono indicati attivando il pin PSM_EINT del modulo Quectel BC66. Questo metodo può essere utilizzato per un evento locale predefinito, come il superamento di una soglia (ad esempio dicendo “fa troppo caldo”) oppure nel caso in cui sia stata rilevata la presenza di un oggetto. Questa è un’altra tipica applicazione IoT "push" che può essere gestita da Quectel BC66 in collaborazione con una rete NB-IoT. Tuttavia, per il nostro esempio di "sensore ad albero", utilizziamo il timer TAU periodico interno menzionato per la riattivazione. 

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Il concetto di un dispositivo "push" alimentato a batteria

Durante i periodi di risparmio energetico concordato, tutti i componenti del dispositivo sono configurati per funzionare nelle loro singole modalità di inattività con un consumo energetico estremamente basso.

Ad esempio, il sensore di umidità Sensirion SHT4x assorbe al massimo 1 µA a 25°C (si veda Rif. 4). Affinché il dispositivo IoT possa durare a lungo, è necessaria una corretta orchestrazione delle funzioni di gestione dell’alimentazione di tutti e tre i componenti principali: modulo di rete Quectel BC66, MCU ospite e sensore (si veda diagramma a blocchi, Immagine 1). Il ruolo di master è svolto alternativamente da due di essi: l’applicazione del dispositivo IoT viene eseguita dall’MCU ospite, ma la gestione della riattivazione è eseguita dal modulo cellulare Quectel BC66 in collaborazione con la rete NB-IoT. Ciò avviene mediante il pin di uscita VDD_EXT, che è un indicatore esterno del fatto che il modulo BC66 si trovi attualmente in modalità di sospensione profonda. 

Pertanto, ogni volta che Quectel BC66 rientra da uno stato di sospensione profonda, il suo segnale VDD_EXT riattiva l’MCU ospite e il programma applicativo IoT integrato (firmware) per assumere il controllo del dispositivo IoT, in base ai requisiti del caso d’uso. Per questo software, le prime cose da fare saranno la riconnessione alla rete registrata e la richiesta di messaggi di downlink in sospeso. Anche la riattivazione del chip del sensore e l’avvio di un ciclo di misurazione devono essere eseguiti all’interno di ogni singolo periodo di attività (si veda l’Immagine 2). Al termine, l’MCU passerà i dati del carico utile IoT al modulo BC66, richiederà la conversione degli stessi nel formato del protocollo selezionato (ad es. UDP o MQTT) e ne avvierà la trasmissione tramite la rete cellulare. Infine, l’MCU chiederà al modulo BC66 di avviare il periodo di risparmio energetico successivo e il dispositivo IoT rientrerà nel ciclo infinito di attività e cicli di PSM

In conclusione, il consumo energetico di ciascun componente durante tutti i periodi di attività e inattività verrà aggregato al consumo energetico totale del dispositivo IoT. Nel nostro caso sono stati selezionati un MCU a 8 bit e il sensore SHT4x con modalità idle a basso consumo che assorbono meno di 1 µA. Per il nostro calcolo, ipotizziamo di avere uno slot di attività ogni 12 ore (vale a dire che i dati IoT verranno riportati due volte al giorno) la cui durata è di 5 secondi per ciascuno. Durante questi periodi di attività, il consumo energetico del dispositivo sarà dominato dalla potenza RF necessaria per riconnettersi e trasmettere il pacchetto di dati IoT alla rete.

Per il nostro caso d’uso, i componenti selezionati e i parametri configurati per brevi periodi di attività e lunghi periodi di PSM portano a un consumo energetico totale di circa 275 mAh all’anno (si faccia riferimento al Rif. 5 per una spiegazione più dettagliata e un foglio di calcolo relativo a come vengono calcolati questi numeri). Con questo approccio, una batteria al litio fissa di tipo AA da 3000 mAh fornirà una straordinaria durata di 10,9 anni al prodotto zero-touch, il che rappresenta una buona proposta di valore per una soluzione IoT di monitoraggio da remoto che può essere utilizzata ovunque.

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