Forleng batterilevetiden i IoT-enheter med energibesparende tankegang

Det er heller ingen enkel løsning å bytte batterier. Hvis du skal administrere
10.000 IoT-enheter eller mer, spredt over flere steder eller til og med land, blir
det fort både dyrt og tidkrevende å foreta et slikt bytte. Det er derfor
virksomheter som prioriterer energieffektivitet får et konkurransefortrinn. Desto mindre energi en IoT-enhet bruker, desto lenger kan den fungere uten at
mennesker må gripe inn – noe som sparer både tid og penger til vedlikehold.

Det er her en "energibesparende tankegang" kommer inn. Batteriets levetid bør være et viktig hensyn helt fra starten av, og ikke noe man tenker på i ettertid. Alt fra valg av maskinvare til strategier for nettverkskommunikasjon har innvirkning på energiforbruket. Ved å velge design med fokus på effektivitet, kan virksomhetene forlenge batterienes levetid, redusere driftskostnadene og sikre at IoT-løsningene fungerer som de skal i mange år.

Kjernen i en energibesparende tankegang

En energibesparende tankegang er en helhetlig holdning til IoT-utvikling, som ser på energi som en kritisk ressurs. Det handler om å forstå at hver eneste komponent, prosess og beslutning påvirker det samlede energibudsjettet. Med en slik tankegang kan utviklere gjøre enheter som kanskje varer i noen uker eller måneder om til robuste løsninger som kan fungere i flere år, til og med tiår, på en enkelt opplading. Dette perspektivskiftet har store implikasjoner for økosystemet for IoT. Det gjør at man kan skape autonome enheter, redusere vedlikeholdskostnadene, minimere miljøpåvirkningen og skape nye muligheter for bruk i fjerntliggende og krevende omgivelser.

Betydningen av energieffektivitet i IoT

Fordelene med å optimalisere strømforbruket handler om mye mer enn bekvemmelighet:

• Forlenget levetid for enhetene: Når batteriene ikke må byttes så ofte, gir det betydelige kostnadsbesparelser over enhetens levetid, spesielt ved utplassering av mange enheter. Dette blir spesielt viktig i scenarioer der det er vanskelig eller dyrt å få tilgang til enheter for vedlikehold, for eksempel fjerntliggende overvåkingsstasjoner eller implantert medisinsk utstyr.
• Reduserte driftskostnader: Sjeldnere batteribytte betyr færre besøk på stedet, mindre arbeidskraft og lavere driftsutgifter. Dette er spesielt gunstig i bransjer som jordbruk, logistikk og miljøovervåking, der enhetene ofte er utplassert over store og utilgjengelige områder.
• Større pålitelighet: Enheter som står lenger i drift gir konsistente og uavbrutte datastrømmer, noe som fører til mer pålitelig informasjon og et bedre grunnlag for beslutningstaking. Dette er viktig for applikasjoner som industriell automasjon, hvor nedetid kan ha betydelige konsekvenser for økonomi og drift.
• Bærekraft: Lengre levetid på batteriet reduserer elektronisk avfall, og minimerer miljøpåvirkningen forbundet med batteriproduksjon og avfallshåndtering. Dette er i tråd med et stadig større globalt fokus på bærekraft og ansvarlig ressursforvaltning.
• Nye anvendelsesområder: Ultralavt strømforbruk åpner døren for nye IoT-applikasjoner i områder hvor hyppig batteribytte er upraktisk eller umulig, for eksempel ved sporing av dyreliv i avsidesliggende områder, miljøovervåking under ekstreme klimaforhold eller langsiktig overvåking av infrastruktur.

Viktige tiltak for å forlenge batterilevetid i IoT-enheter

For å få optimal energieffektivitet i IoT-enheter, må man ta flere hensyn, blant annet knyttet til valg av maskinvare, optimal programvare og strategier for nettverkskommunikasjon. Her er en oversikt over viktige tiltak:

1. Valg av riktig mobilteknologi

Konnektivitet forbruker mye energi i IoT-enheter. Valg av riktig  mobilteknologi er svært viktig for å balansere båndbreddebehov og energieffektivitet. Moderne mobilstandarder som LTE-M og smalbånd-IoT (NB-IoT) er spesielt utviklet for applikasjoner som brukes i nettverk med lavt strømforbruk og som dekker store områder (LPWAN), og gir betydelige fordeler i forhold til tradisjonell mobilteknologi.

• LTE-M: Gir god balanse mellom energieffektivitet og datahastighet, og er derfor velegnet for applikasjoner som krever relativt hyppig dataoverføring, som sporing av eiendeler, teknologi man bærer på kroppen og smarte strømmålere.
• NB-IoT: Prioriterer ultralavt strømforbruk og god innendørs kommunikasjon, som gjør den ideell for applikasjoner med sjeldne dataoverføringer, for eksempel smart parkering, miljøovervåking og måling av vann-, gass- og strømforbruk. NB-IoT er spesielt gunstig for konnektivitet i krevende omgivelser.
  
  

2. Bruk av strømsparemodus: PSM og eDRX

LTE-M og NB-IoT tilbyr avanserte strømsparende funksjoner som kan forlenge batterilevetiden dramatisk:

• PSM (strømsparemodus): Lar enheten gå inn i en dyp dvaletilstand mens den fortsatt er registrert i nettverket. I PSM slås enheten i hovedsak av, mens den fortsatt er koblet til nettverket. Den våkner med jevne mellomrom, for å se etter meldinger eller overføre data. Dette reduserer strømforbruket betydelig, siden enheten ikke aktivt lytter til nettverket.
• eDRX (uregelmessig mottak av data): Gjør at enheten kan gå i dvale  lengre perioder, og våkne med forhåndsdefinerte mellomrom for å se etter innkommende meldinger. Dette reduserer tiden enheten bruker på aktiv lytting til nettverket, og sparer dermed energi.

Sammenligning av PSM og eDRX:

Valget mellom PSM og eDRX avhenger av kravene til applikasjonen. For enheter som primært overfører data og sjelden mottar kommandoer, er PSM ideell. For applikasjoner som krever hyppigere toveiskommunikasjon, tilbyr eDRX en balanse mellom strømsparing og respons.

3. Lavere frekvens på dataoverføringer

Alle dataoverføringer bruker energi. Ved å minimere frekvensen på dataoverføringene kan enheten forlenge batterilevetiden betydelig. Dette kan oppnås ved hjelp av ulike teknikker:

Aggregering av data: I stedet for å overføre hvert datapunkt individuelt, kan enheten aggregere data og overføre dem i bolker med mindre hyppige intervaller.

Overføring utløst av hendelser: I stedet for å overføre data etter en fast tidsplan, kan enheten settes opp slik at den bare sender ved visse hendelser eller når bestemte terskelverdier blir nådd.

Tilpasset frekvens for prøvetaking: Enheten kan tilpasse frekvensen på prøvetaking (sampling) etter forholdene som overvåkes. For eksempel kan en sensor som overvåker luftkvaliteten foreta hyppigere prøvetaking når forurensningsnivået er høyt, og færre når nivået er lavt.

4. Optimale protokoller for dataoverføring

Valg av kommunikasjonsprotokoll kan påvirke strømforbruket betydelig. Noen protokoller er mer effektive enn andre, spesielt for IoT-enheter med begrensede ressurser.

• UDP (User Datagram Protocol): En lett og forbindelsesløs protokoll som minimerer dataoverføring, noe som gjør den egnet for applikasjoner der sporadisk tap av data er akseptabelt.
• MQTT-SN (MQTT for sensornettverk): En lett versjon av MQTT spesielt utviklet for nettverk med lavt strømforbruk og tilfeller av datatap. Den minimerer header-størrelser og støtter hvilemodus, og er derfor godt egnet for batteridrevne enheter.
• CoAP (Constrained Application Protocol): En spesialisert nettoverføringsprotokoll utviklet for enheter med begrensede ressurser og nettverk med lavt strømforbruk. Den bruker en RESTful-arkitektur og støtter effektiv datautveksling.

Det er viktig å unngå å bruke protokoller med høy dataoverføring, for eksempel HTTP, som kan øke strømforbruket betydelig.

5. Optimalisering av maskinvare

Maskinvarevalg spiller en svært viktig rolle for energieffektivitet. Et godt gjennomtenkt valg av komponenter og designhensyn kan påvirke batteriets levetid betydelig.

• Energieffektive komponenter: Velg mikrokontrollere, sensorer og kommunikasjonsmoduler som er spesielt utviklet for drift med lavt strømforbruk. Se etter funksjoner som lavstrømmodus, dvaletilstand og effektive strømstyringskretser.
• Optimalt antennedesign: Riktig design på og plassering av antenner sikrer effektiv signaloverføring, reduserer behovet for å gjenta overføringer og minimerer strømforbruket.
• Effektiv fastvare: Fastvare spiller en viktig rolle i styring av strømforbruk. Regelmessig oppdatering av fastvare kan bidra til optimal ytelse, feiloppretting og bedre strategier for strømstyring.
  
  

6. Utnytt hele potensialet i IoT med iSIM og eSIM

Fremtiden for IoT-konnektivitet ligger i iSIM- og eSIM-teknologi. Dette er løsninger som er utformet for å gjøre enheter smartere, mer effektive og mulig å bruke i global skala.

I motsetning til tradisjonelle SIM-kort, integrerer eSIM og iSIM konnektivitet direkte i enheten, og fjerner behovet for fysiske SIM-kort og manuell utskiftning.

Dette betyr at IoT-enheter kan bytte sømløst mellom nettverk, og operere på tvers av flere land uten at det krever nye SIM-kort eller avtaler med lokale operatører.

7. Dvale/vekking i stedet for av/på

Prosessen med å slå enheter av og på krever mye energi. I stedet for å slå enhetene helt av mellom hver gang det skal overføres data, bør man heller bruke ulike dvalemoduser. Moderne mikrokontrollere tilbyr ulike dvalemoduser med ulike nivåer på strømforbruk, slik at enhetene kan spare energi, samtidig som de kan reagere ved behov.

8. Vurder energihøsting for lang levetid

I noen applikasjoner kan energihøsting supplere eller til og med erstatte batterier, og gi en bærekraftig og langvarig strømkilde. Det finnes flere ulike teknologier for energihøsting, blant annet:

• Solcellepaneler: Solcellepaneler omdanner sollys til elektrisk energi og er ideelle for utendørs bruk.
• Kinetisk energihøsting: Denne typen energihøsting gjør mekaniske vibrasjoner eller bevegelser om til elektrisk energi, og er godt egnet for teknologi man bærer på kroppen, eller industrielt utstyr.
• Termisk energikonvertering: Termisk energikonvertering høster energi fra temperaturforskjeller, og er egnet i industrielle omgivelser eller i miljøer med betydelige temperatursvingninger.
• Energihøsting gjennom radiofrekvens: Denne teknologien (RF Energy Harvesting) fanger opp energi fra radiosignaler, slik at enheter kan drives trådløst.

Selv om energihøsting kanskje ikke er egnet i alle tilfeller, gir denne typen teknologi gode muligheter til å forlenge levetiden til IoT-enheter, spesielt på avsidesliggende eller utilgjengelige steder.

Konklusjon: Bruk en energibesparende tankegang

Maksimering av batterilevetid i IoT er et grunnleggende designprinsipp, og bør ikke være noe man kommer på i ettertid. En energibesparende tankegang er et helhetlig perspektiv som tar hensyn til alle sider av enhetens livssyklus, fra valg av maskinvare til programvareoptimalisering og strategier for nettverkskommunikasjon.

Ved å ta i bruk en slik tankegang kan utviklere lage IoT-løsninger som ikke bare er funksjonelle og pålitelige, men også energieffektive og bærekraftige. Dette vil bane vei for neste generasjons IoT-applikasjoner, gjøre det mulig å utplassere milliarder av enheter i mangeartede og krevende miljøer og åpne for nye muligheter for innovasjon og samfunnsutvikling.