Sammenfatning:
En vigtig byggesten på vejen mod realiseringen af de ambitiøse mål omkring Internet of Things hhv. industriel IoT er evnen til at kunne bygge trådløse netværk med lavt strømforbrug. Det samme gælder for konventionelle sensor-netværk applikationer. Hvis strømforbruget i hvert enkelt device er så lavt, at det kan køre på batterier i lang tid, så vil netværkets samlede økonomi blive markant mere fordelagtig end kablede løsninger, da installationen af et sådant netværk er betydeligt lettere og billigere.
En lang række trådløse teknologier hævder at være ultra energi-effektive og i stand til at køre på et enkelt batteri i flere år. Men forsøger man at kvantificere og sammenligne den realistiske performance af forskellige teknologier, så opdager man hurtigt, at det er svært at få præcise svar.
Denne artikel forsøger at kaste lys over emnet. Den udpeger en række faldgruber man skal være opmærksom på, når man vælger en trådløs løsning til et batteridrevet produkt. Desuden beskriver den, hvordan NeoCortec opnår ægte low power i en trådløs connectivity løsning.
Connectivity løsninger – et overblik
Trådløse teknologier til applikationer med lavt strømforbrug – og endnu mere specifikt, applikationer med overførsel af forholdsvis små mængder data, sådan som det oftest er tilfældet i IoT og sensor produkter – kan grupperes ud fra den måde hvorpå devices er forbundne, dvs. deres topologi:
Point-to-point eller P2P anvendes, når data overføres mellem to devices. Det kan f.eks. være en temperatur-sensor, der sender måledata til en gateway.
Stjerne-topologi er en udvidelse af P2P. Her kommunikerer et større antal devices med en enkelt ”master device”. En typisk applikation med stjerne-topologi er et sensor-netværk. I den seneste tid er der lanceret LPWAN teknologier, som f.eks. LoRaWan. De er eksempler på en stjerne-topologi konfiguration, med en enkelt gateway forbundet til et stort antal ”slave devices”.
Mesh-topologi defineres som et netværk af devices, der er anbragt med en bestemt tæthed, så hver enkelt node er i stand til at kommunikere med et antal nabo-noder. På den måde dannes en struktur, der sender data fra en afsender-node til en modtager-node via et antal mellemliggende noder, uden at afsender og modtager nødvendigvis er i stand til at kommunikere direkte med hinanden.
Alle disse topologier kan være relevante for det netværk man vil bygge. Det afhænger af den konkrete applikation. Når det gælder sensor netværk eller industrielle IoT applikationer, vil man dog oftest fokusere på stjerne- eller mesh-topologier. Hvilken af disse to man vælger, afgøres ofte af det konkrete anvendelses-scenarie.
Ingen ”One-Size-Fits-All” i trådløs kommunikation
Inden for hver af de topologi-grupper beskrevet ovenfor findes en række konkurrerende teknologier med hver deres fordele og ulemper. Ved første øjekast ser det ud, som om de alle markedsføres som værende i stand til at performe optimalt i næsten alle de applikationer man kan forestille sig. Dette er naturligvis ikke helt korrekt, og det er vigtigt, at man grundigt evaluerer de konkrete styrker og svagheder, før man vælger teknologi til et specifikt produkt. Man kan lægge en lang række kriterier til grund, når man udvælger teknologier. Noget af det man skal være særligt opmærksom på er:
– Størrelsen (bytes) af payload data, der skal overføres
– Transmissionsrytme –dvs. hvor ofte sendes payload data?
– Envejs eller tovejs kommunikation?
– Strømforsyning og strømforbrug
– Device topologi – hvor mange devices, hvilken afstand mellem dem, dynamisk eller statisk etc.
Man kan definere mange flere parametre, men de ovennævnte er alle meget vigtige, når man vil designe et produkt, der skal kunne køre i mange år på små batterier.
Lavt strømforbrug i trådløs kommunikation – hvordan?
Kommunikation uden kabler kræver radiobølger, der dannes og transmitteres af et apparat og opfanges af et andet. Denne proces kræver elektrisk energi, både hos afsender og modtager. En tommelfingerregel er, at jo længere kommunikationsvej, jo mere energi kræves der. Lange kommunikationsveje kan opnås ved at øge transmissionsstyrken – dette er ofte begrænset af myndighederne. Tilsvarende kan man også opnå en lang kommunikationsvej ved at øge modtagerens følsomhed. Mesh-netværk øger kommunikationsvejene yderligere ved at gøre det muligt at transmittere payload data over et antal hops. Dette kan potentielt øge den udendørs rækkevidde til mange kilometer, eller etablere forbindelser langt ind i bygninger og endda under jorden.
Uanset hvordan man opnår et netværks rækkevidde, så er batteriernes levetid bestemt af den gennemsnitlige mængde strøm, der forbruges af netværkets radio transcievere (transmitter & receiver). Det gennemsnitlige strømforbrug udgøres både af transmission af payload data og af ”housekeeping” opgaver, der skal udføres for at holde kommunikationsforbindelsen i luften. Disse ikke-payload opgaver varierer meget fra teknologi til teknologi og afhænger ofte også af den konkrete anvendelse.
Strømforbruget ved payload transmission varierer også, alt efter hvilken trådløs teknologi der anvendes. F.eks. arbejder LPWAN teknologier, der har kommunikationsafstande på op til 10 km og mere, med et forholdsvis kraftigt afsender-output og en meget følsom modtager. Den høje følsomhed opnås delvist ved at sænke kommunikationshastigheden (baud rate). Ulempen er imidlertid, at det øger tidsforbruget til transmission og dermed resulterer i et højere strømforbrug, både i sender og modtager.
Mesh netværk teknologier er anderledes. De karakteriseres ved, at hver node i et netværk både bruger energi til egne opgaver og løser opgaver for andre noder i netværket. Dette er til en vis grad ineffektivt. Derfor har man hidtil fravalgt mesh i applikationer, der kræver et meget lavt strømforbrug.
Kan mesh-netværk virkelig opnå ultra-lavt strømforbrug?
Som nævnt ovenfor er energi-effektiviteten i et mesh-netværk potentielt set dårlig, da en node, der router data på vegne af andre noder dermed udfører opgaver, som ikke direkte har at gøre med dens eget applikationslag.
I legacy mesh-netværk som Zigbee, Zwave, Thread, Bluetooth Mesh og lignende håndteres dette problem ved at organisere netværket i et ”mesh af stjerner” (se illustration).
Hvert stjerne-punkt kaldes en Full Functional Device (FFD) eller en koncentrator. De noder som er underlagt FFD devicen kaldes Reduced Functionality Devices (RFD) eller end-nodes. Disse RFD’er kan opnå et ultra-lavt strømforbrug, da de kun anvender radiosenderen, når deres eget applikationslag sender payload data. Resten af tiden kan de gå i sleep-mode og dermed bruge meget lidt strøm. Da RFD’erne fungerer asynkront kræver det imidlertid, at FFD’erne ”lytter” hele tiden, for at kunne opfange RFD’ernes transmissioner. Strømforbruget i disse kortdistance radioer er ofte næsten lige så højt hos modtageren som hos afsenderen. Derfor kan FFD’erne ikke køre på batterier, men skal oftest tilsluttes el-nettet.
Derudover, da RFD’erne kun er aktive, når deres eget applikationslag er aktivt, er de ikke i stand til at route payload data i netværket. Derfor er de som sådan ikke reelt en del af mesh-strukturen.
Sammenfattende kan det siges, at legacy mesh-netværk ikke i stand til at opnå ultra-lavt strømforbrug for alle devices i netværket. Desuden kan RFD’erne ikke forwarde data og bidrager derfor ikke til mesh-strukturen. Med andre ord: Der kræves en vis tæthed af FFD’er i et givent område for at kunne bygge bro fra den fjerneste device til netværkets gateway. For at sikre dette må man etablere kablet strømtilførsel på tværs af hele netværksstrukturen, og dermed udelukkes legacy mesh netværk i mange situationer.
NeoMesh – 2. generations mesh netværk teknologi muliggør ægte ultra-lavt strømforbrug
I NeoCortec har vi designet kommunikationsprotokollen NeoMesh til at være den bedste af to verdener: Det leverer den redundans og stabilitet som mesh-netværk er kendt for, samtidig med at det muliggør ultra-lavt strømforbrug for alle devices i et netværk. Dermed kan bl.a. sensorer køre på små batterier i mange år uden behov for batteriskift.
Hvordan kan dette lade sig gøre? NeoMesh anvender to grundprincipper, der tillader alle noder at fungere som FFD’er, samtidig med at strømforbruget holdes nede på et absolut minimum. Det første princip er synkronisering af kommunikationsrytmen. Det andet princip er brugen af en høj baud rate på radio-laget for at sikre ultra-korte transmissioner. Synkronisering tillader alle devices at være i dvaletilstand det meste af tiden. De vågner med mellemrum for at udveksle housekeeping information – og payload data, når det er nødvendigt. Da de anvender en relativt høj baud rate i RF-laget er den samlede duty cycle for netværkets devices meget lav. Derfor kan de indgå som en fuldgyldig del af netværket med kun nogle få tiendedele mikro-ampere i gennemsnitligt strømforbrug.
Lad os kigge nærmere på aktiviteten i et NeoMesh radiomodul: Backbone i netværket er de skedulerede data-overførsler. Hver node i netværket overfører skeduleret data én gang for hvert skeduleret data interval. Intervallet er konfigurerbart og dette styrer både den overordnede hastighed i netværket og det gennemsnitlige strømforbrug. De noder, der befinder sig inden for hinandens rækkevidde, lytter til hinandens skedulerede data overførsler. Dette gør det muligt for dem at forblive synkroniserede og holde styr på deres naboer. F.eks. vil en node med fire naboer sende skeduleret data én gang pr. skeduleret data-interval og lytte fire gange – én gang pr. nabo. Da RF baud raten er høj og den skedulerede datamængde lav, er varigheden meget kort:
Payload data – når de transmitteres – lægges oveni de skedulerede data transmissioner. Det betyder, at når en node har data at transmittere, sker det på det forudbestemte tidspunkt. Stigningen i strømforbruget på grund af transmission af payload data er derfor begrænset. Payload data kan max. være 19 bytes – ved 500 kbaud udgør den øgede RF TX tid 0.4 ms (inklusive ekstra header information). Mindre payload-pakker betyder mindre overhead. Generelt set vil det gennemsnitlige ekstra strømforbrug være meget beskedent, da den skedulerede data transmission er forholdsvis langsom.
Ud over den skedulerede data transmission og modtagelse sender noderne beacons, der giver dem mulighed for at spore hinanden. Hyppigheden af beacon-signalet er konfigurerbar og dette bestemmer hvor hurtigt noder kan spore hinanden, dvs. hvor hurtigt netværket oprettes og hvor hurtigt noder kan opdage nye noder, der kommer inden for rækkevidde. Samtidig påvirker beacon-signalet også det gennemsnitlige strømforbrug. Lige som de skedulerede data transmissioner er beacon-signalerne korte pga. den høje RF baud rate og den begrænsede mængde data, der udveksles.
Konceptet for skeduleret transmission er unikt for NeoMesh. Denne feature muliggør 100 % batteridrevne mesh netværk, hvor alle noder er Full Functional Devices, samtidig med at de er i stand til at køre på samme batteri i flere år. Den konkrete applikations krav til transmission af payload data afgør det præcise strømforbrug. Til applikationer som forbrugsmåling, sensorer til måling af temperatur og fugtighed og i generelle sensorer med langsom målefrekvens, er NeoMesh connectivity løsningen det ideelle match.
Ultra-lavt forbrug – at sammenligne æbler med pærer
Som nævnt i artiklens indledning, kan det være vanskeligt at vurdere det faktiske strømforbrug i de forskellige trådløse teknologier til sensorsystemer og IoT-anvendelser. En af udfordringerne er, at der ikke findes en fælles definition, når det gælder low power. ”10 års batterilevetid” bruges ofte som et mål for en given teknologis performance. Men at få 10 år ud af et 3V D batteri er naturligvis noget andet end at få 10 år ud af et ½ AA 3V batteri. Ens for alle trådløse teknologier er imidlertid, at ingenting er gratis – alle teknologier er oppe imod fysikkens love.
Forbedringer i design af integrerede kredsløb nedbringer naturligvis radio TX og radio FX strømforbruget. De fleste trådløse teknologier drager nytte af de nyeste fremskridt inden for radio performance. Som sådan er et systems performance givet af kommunikationsprotokollen, dvs. hvor meget senderen anvendes og hvor meget ekstra forbrug der går til housekeeping aktiviteter.
NeoMesh er et synkront mesh netværk, hvor alle devices er Full Functional Devices i stand til at både sende, modtage og forwarde payload data. De gør det i et interval, der er konfigurerbart. Hvordan dette interval bestemmes er en afvejning mellem latenstid for signalet, netværkskapacitet og gennemsnitligt strømforbrug. Det hurtigste interval er 1 sekund. Det langsomste er 30 sekunder. Vælger man det langsomste interval er en nodes gennemsnitlige strømforbrug mindre end 20 uA. Denne konfiguration er ofte tilstrækkelig hurtig til trådløse forbrugsmålere og sensorer, der måler temperatur eller lignende, med målinger f.eks. hvert 15. minut. Til applikationer, der kræver en højere målefrekvens, kan netværkets hastighed øges. Som del af konfigurationsværktøjerne for NeoMesh findes et tool, der præcist estimerer det gennemsnitlige strømforbrug, baseret på den aktuelle netværkskonfiguration.
