Společnost Solidus Tech s.r.o. vyvíjí vlastní bezdrátová čidla dle standardu LoRaWAN1.0, jejichž většina je určená pouze pro bateriové napájení. Zvolená koncepce čidel umožňuje velmi efektivní zacházení se spotřebou tak, aby koncové produkty byly schopny běhu na baterii po dobu několika let.
To posunuje hranici aplikačních možností zcela jinam, než u WiFi nebo GSM technologií, které jsou velmi náročné na spotřebu energie a je tudíž téměř vyloučeno bateriové napájení. Naše společnost zvládla nejen samotnou technologii LoRa implementovat do svých čidel, ale zároveň se nám podařilo velmi optimalizovat běh řídícího procesoru, který je součásti každého čidla, aby jednak zajistil interakci se samotným senzorem (kontakt, teploměr, vlhkoměr a mnoho dalších) a jednak řídil komunikaci přes LoRaWAN transceiver. Celá optimalizace je skrytá ve FW každého čidla, který bedlivě dbá nad režimy velmi malé spotřeby energie a dramaticky tak zvyšuje životnost čidla do výměny baterie. Pokud ještě vezmeme v úvahu fakt, že komunikační vzdálenosti mohou být v řadech až desítek kilometrů, pak jde o opravdové unikum, kde nejsme prakticky omezení při nasazení daného čidla kdekoliv v terénu. V tomto ohledu v podstatě LoRa nesnese srovnání s žádnou jinou technologií.
Na dále uvedeném obrázku jsou výsledky měření na našem reálném čidle – konkrétně digitálním teploměru, který jsme uváděli do režimu vysílání a pak do hlubokého spánku.
Z obrázku je patrné, že pro vysílání potřebujeme poměrně dost energie, ale jen po velmi krátkou dobu. Podstatným údajem je klidová spotřeba 40uA. Pokud tedy provedeme výpočty, které zohledňují vysílání čidla 6 x za den a sečteme energetické obsahy všech významných odběrů, vyjde průměrná hodnota odběru kolem 60uA. To je velmi důležitý údaj, ze kterého můžeme spočítat životnost baterie, kterou v našich čidlech používáme: 3,7V /2300mAh LiPol. Dopočítáme se k číslu 4,3 roky. Pochopitelně akumulátor má také své samovybíjení, které je zavislé zejména na okolní teplotě. S rezervou tedy můžeme prohlásit, že baterie vydrží v čidle 2 roky.
Tyto výpočty platí samozřejmě pro určitou periodu vysílání, resp. probouzení celého čidla. Tento přístup se hodí tam, kde nepotřebujeme hlídat prahové hodnoty, na základě kterých se spustí vysílání. V praxi ale často narazíme na požadavek, kdy musíme zareagovat na nějakou změnu – typicky sepnutí kontaktu. Pro tento případ jsou naše moduly vybaveny poměrně sofistikovanou metodou, kdy jsme schopni ze stavu hlubokého spánku celé čidlo probrat v momentě změny sledovaného stavu. Pak jsou poměry odběru ještě lepší, protože zpravidla stačí, když se čidlo ozve jednou za den a pak až při změně stavu. Mírně jiná je ale situace u sledování prahů fyzikálních veličin, kdy je potřeba navázat interakci se senzorem – načíst jeho hodnotu.
Tyto záležitosti řešíme dvěmi způsoby:
• komparace hodnoty převedené na napětí – lze aplikovat pouze u nékterých veličin, typicky teplota. Pak vše funguje způsobem jako je popsáno výše pro sledování změny kontaktu. Komparace je pak zajištěná pomocí JFET komparátorů na jehož vstupy je přivedena jednak měřená veličina a jednak elektronicky generované komparační napětí z DA převodníku. Tato čidla jsou ale poměrně drahá s ohledem na složitost řešení a zejména teplotní stabilitu.
• odečet sledované veličiny se provádí v pravidelných intervalech co 4s nebo 8s. Odečet je velice rychlý, řadově několik málo us, nicméně i tak je třeba počítat se špičkami v odběru, které se pohybují kolem 12mA. Nicméně, pokud bychom na jeden odečet počítali s odběrem zmíněných 12mA a tento by trval 20us, pak v odečítací periodě po 8s bychom za 1 hodinu četli 450 x. Potřebovali bychom tedy čas odpovídající 450 x 20us – to je čas, kdy je zařízení reálně v provozu pouhých 9ms. Vyjádřeno spotřebou – 12mA po dobu 9ms každou hodinu – přepočteme-li tento údaj na uAh, pak se dostáváme k číslu 1,8uAh, což je hodnota naprosto směšná a není tedy problém čidlo provozovat v tomto režimu. Půjdeme-li v úvahách trochu dále, pak za den spotřebujeme z akumulátoru 42,5uAh a za rok se dostaneme na nevýznamných 16mAh, což jsme někde pod hodnotou samovybíjení akumulátoru.
Náš SW uvnitř každého čidla každopádně řeší všechny 3 varianty odběru:
– periodické odesílání dat
– komparační metodu vhodnou pro sledování stavu kontaktů nebo jiné diskrétní veličiny
– periodické zjišťování hodnoty senzory a komparaci na úrovni SW
Akumulátor 3,7V 2300mAh je základní variantou pro naše nejmenší konstrukční provedení čidel. Tam, kde je požadavek na běh čida na 4 a více let, pak dodáváme mírně rozměrově větší provedení s akumulátorem 3,7V/10000mAh. Snadno si z výše uvedených úvah spočítáte, kde se pohybuje předpokládaný čas provozu čidla vybaveného tímto akumulátorem.