Prezentacja_IoT_Zasilanie_3D_dark-1

1.

T E M AT 1 0 · I N T E R N E T R Z E C Z Y
Zasilanie i
oszczędzanie energii
w urządzeniach IoT
Jak częstotliwość pomiarów, transmisja i tryb uśpienia wpływają na
pracę na baterii. Z przykładem klastra ze starych smartfonów.
IVAN NYCH · INFORMATYKA
01 / 15

2.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
02 / 15
Bateria to najsłabsze ogniwo urządzeń
IoT
01
02
Autonomia
Czujnik ma pracować miesiącami lub latami bez serwisu, często w miejscu trudno
dostępnym.
Nierówny pobór
Urządzenie większość czasu nic nie robi, a jego radio potrafi pobierać kilka rzędów
wielkości więcej prądu niż tryb uśpienia.
24 000×
tyle razy większy jest szczytowy prąd
03
Kompromis
Rzadszy pomiar i krótsza transmisja wydłużają pracę, ale dane są mniej aktualne.
Wi-Fi (240 mA) niż deep sleep (10 µA)
w układzie ESP32 (dane katalogowe)

3.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
03 / 15
Cykl pracy: krótkie szczyty, długi sen
P R Ą D W C Z A S I E ( S C H E M AT )
≈150 mA
≈150 mA
sen ≈ 10 µA
≈150 mA
0,33%
czasu urządzenie jest aktywne (3 s
co 15 min)
98%
energii z baterii pochłania krótka
faza aktywna
sen ≈ 10 µA
≈ 0,5 mA ciągłej
średni prąd zamiast 150 mA w pracy
3s
3s
3s
Przykład obliczeniowy: ESP32, Wi-Fi, 3 s przy ok. 150 mA (założenie; połączenie WPA2 trwa zwykle ok. 3 s), sen 10 µA, cykl 15 min. Skala czasu nie zachowana.

4.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
04 / 15
Tryby uśpienia: od pracy do
hibernacji
T RY B
POBÓR (ESP32)
C O P O Z O S TA J E A K T Y W N E
WYBUDZENIE
Active (radio)
95–240 mA
wszystko włączone
—
Modem sleep
20–68 mA
CPU pracuje, radio wyłączone
< 1 ms
Light sleep
≈ 0,8 mA
RAM zachowany, CPU wstrzymany
1–3 ms
Deep sleep
≈ 10 µA
tylko RTC i jego pamięć
ok. 70–650 ms
Hibernation
≈ 5 µA
tylko timer RTC
ok. 70–650 ms
Na płytkach deweloperskich deep sleep to zwykle od ok. 1 mA do kilkunastu mA (regulator, konwerter USB, LED). Czas
wybudzenia zależy od konfiguracji bootloadera.

5.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
05 / 15
Im rzadszy pomiar, tym dłuższa praca
Wzór
C Z A S P R A C Y N A B AT E R I I 2 0 0 0 m A h
Iśr = (Iakt·takt + Isen·tsen) / T. Czas pracy = pojemność / Iśr.
≈1,7 roku
163 dni
Założenia
Bateria 2000 mAh, 3 s przy 150 mA (założenie), sen 10
55 dni
µA (dane układu). Pomijamy samorozładowanie i
starzenie ogniwa.
11 dni
Wniosek i uwaga
co 1 min
co 5 min
co 15 min
co 1 h
skala logarytmiczna; wynik teoretyczny, bez samorozładowania
15× rzadsze wysyłanie daje ok. 15× dłuższą pracę. Ale
prąd uśpienia też się liczy: przy 1 mA zamiast 10 µA (cykl
15 min) czas spada do ok. 56 dni.

6.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
Transmisja to najdroższa operacja
01
02
03
Skróć połączenie
Połączenie z Wi-Fi trwa zwykle ok. 3 s. Zapisany kanał i BSSID oraz statyczne IP (bez
skanowania i DHCP) skracają je nawet do poniżej 1 s.
Zmniejsz ładunek
Mniej bajtów to krótszy czas nadawania. Format binarny i lekki protokół (MQTT)
zamiast rozbudowanego HTTP z JSON.
Grupuj wysyłkę
Zbierz kilka pomiarów i nadaj paczką: jeden koszt połączenia zamiast wielu.
06 / 15

7.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
07 / 15
Łączność: zasięg i szybkość kosztują
energię
TECHNOLOGIA
ZASIĘG
SZYBKOŚĆ
P O B Ó R P R Z Y N A D AWA N I U *
BLE
10–100 m
ok. 1 Mbit/s
ok. 5–8 mA (nRF52)
Zigbee
10–100 m (mesh)
250 kbit/s
ok. 10–30 mA
Wi-Fi
30–100 m
> 10 Mbit/s
180–240 mA (ESP32)
LoRaWAN
kilometry
0,3–50 kbit/s
ok. 20–120 mA
LTE-M / NB-IoT
kilometry (sieć komórkowa)
LTE-M ok. 1 Mbit/s, NB-IoT 26–159 kbit/s
ok. 180–360 mA
Nie ma najlepszej technologii: wybór zależy od tego, ile bajtów i jak rzadko trzeba wysłać. *Dane z kart katalogowych
typowych układów, zależą od mocy nadawania.

8.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
Jak oszczędzać energię w praktyce
01
02
03
04
Sprzęt
MCU niskiego poboru, regulator o małym prądzie spoczynkowym, czujniki włączane
tylko na czas pomiaru.
Oprogramowanie
Przerwania i timer RTC zamiast ciągłego odpytywania, deep sleep między pomiarami.
Dane
Filtracja na urządzeniu (edge) i wysyłanie przy zmianie wartości zamiast stałego
strumienia.
Zasilanie
Energy harvesting (np. panel słoneczny) z superkondensatorem wydłuża pracę ponad
pojemność baterii.
08 / 15

9.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
Studium przypadku: węzły klastra z
odzysku
01
02
03
Inny cel niż czujnik
Węzeł działa bez przerwy (serwer LLM), więc uśpienie odpada.
Oszczędzamy i chronimy baterię inaczej.
Ryzyko zasilania ciągłego
Ogniwo Li-ion stale w pełni naładowane i w cieple (powyżej 30
°C) starzeje się szybciej.
Nasze podejście
Limit ładowania 60–80% (ACC) i zasilanie bezpośrednie, gdzie
sprzęt na to pozwala.
09 / 15

10.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
10 / 15
Histereza ładowania 60–80%
Histereza
P O Z I O M N A Ł A D O WA N I A W C Z A S I E
100%: unikaj utrzymywania
Ładowanie wstrzymuje się przy 80% i wraca przy 60%
(komenda acc 80 60), bez udziału użytkownika.
80% STOP
Mniejszy prąd
Ograniczenie prądu ładowania zmniejsza wydzielanie
ciepła w ogniwie.
60% START
Ograniczenia
czas →
Wymaga root. Na części Xiaomi układ PMIC może po
użyciu ACC blokować ładowanie.

11.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
11 / 1 5
Direct AC: zasilanie z pominięciem
ogniwa
→
←
BEZPOŚREDNIO
TYLKO BUFOR
Zasilacz USB
SoC, Wi-Fi, serwer
Bateria
Stałe źródło energii dla całego
Pobierają prąd z zasilacza, a
W trybie idle prąd baterii jest
węzła.
nie z chemii ogniwa.
bliski zera.
W ACC to tryb idle (charging bypass): działa tylko na części telefonów. Sprawdza się to testem acc -t i pomiarem prądu
baterii.

12.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
12 / 15
Radio i system to ok. 90% poboru węzła
POBÓR MOCY WĘZŁA MASTER
1,62 W
1,46 W
Wi-Fi i system Android (wg telemetrii
0,16 W
sam proces serwera (wg telemetrii
bota)
bota)
Xiaomi Mi A1
Uwaga
Podział ok. 90/10 jest identyczny na obu węzłach, więc to
prawdopodobnie szacunek bota. Warto go sprawdzić
miernikiem USB.

13.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
13 / 15
Telemetria i temperatura podczas
pracy
26,5 °C
32,0 °C
Master Mi A1
Worker Huawei,
podczas pracy
Wg Battery University ogniwo powyżej 30 °C starzeje się
szybciej: worker już ten próg przekracza. Chłodzenie
pasywne. Bot raportuje też stan baterii i tryb ładowania.

14.

WNIOSKI
14 / 15
Energia to budżet: wydawaj ją tylko na
dane, które mają wartość
01
02
Śpij jak najdłużej
Nadawaj rzadko i krótko
Deep sleep to rzędy wielkości mniej prądu
Radio to najdroższa operacja: ogranicz
niż praca aktywna.
częstotliwość i rozmiar danych.
03
04
Dobierz łączność
Mierz i chroń baterię
BLE, LoRaWAN czy Wi-Fi: zależnie od
Pomiar poboru i limit ładowania wydłużają
zasięgu i ilości danych.
życie węzłów.
Dziękuję za uwagę! Pytania i dyskusja

15.

IOT · ZASILANIE I OSZCZĘDZANIE ENERGII
15 / 15
Źródła i uwagi
01
Espressif
ESP32 Series Datasheet (tryby zasilania) i
ESP-IDF Sleep Modes. Czasy wybudzenia i
pobór płytek: forum esp32.com.
02
Układy radiowe
Nordic nRF52832 (BLE), TI CC2530 i Silicon
Labs EFR32MG21 (Zigbee), Semtech
SX1276 (LoRa), Quectel BG96/BG95 (LTEM, NB-IoT).
04
05
Battery University
ACC (VR-25)
BU-808: How to Prolong Lithium-based
Repozytorium VR-25/acc na GitHubie:
Batteries (wpływ temperatury i poziomu
naładowania).
komendy, tryb idle, ostrzeżenia dotyczące
PMIC.
03
Standardy
NB-IoT i LTE-M (3GPP Rel. 13/14) wg
opracowań producentów i Wikipedii.
LoRaWAN wg Semtech FAQ.
06
Własne pomiary
Obliczenia czasu pracy (założenia na
slajdzie 5), telemetria bota, zdjęcia i zrzuty
ekranu: autor. Czas połączenia Wi-Fi: raporty
z forów ESP.