Stromausfall im IoT – wie man ein Blackout verhindert oder sich schützt

Stellen Sie sich eine ideale Welt vor, in der Sensoren und Geräte über das Internet der Dinge (IoT) miteinander verbunden sind, um für mehr Produktivität zu sorgen oder die Lebensqualität zu verbessern – ob auf der Ebene kleiner Industrieflächen oder großer geografischer Regionen. Dieser Traum hat bereits begonnen, Realität zu werden. Denken Sie jetzt an die Anzahl der Akkus, die benötigt würden, um zukünftig all das und noch mehr zu betreiben. Dann beginnt der Albtraum.

Recherchen von ResearchAndMarkets.com zufolge könnten die hohen Kosten für die Entwicklung dünner, flexibler Batterien und die ökologischen Auswirkungen im Zusammenhang mit der Entsorgung dieser Komponenten das Wachstum dieses für IoT-Anwendungen so wichtigen Marktes behindern. Was, wenn es zu einem Stromausfall kommt?

Um aus diesem Alptraum des Batteriemangels aufzuwachen, bevor er unglücklicherweise Realität wird, können bei der Entwicklung oder Auswahl drahtloser Funksysteme mit geringem Stromverbrauch, die häufig im IoT eingesetzt werden, einige Empfehlungen befolgt werden. Diese werden es einfacher machen, das beste Verhältnis zwischen dem Akkuverbrauch und den Eigenschaften IoT-Lösungen zu finden:

• Batterietypen: Wenn das Funksystem seltene Stromflüsse benötigt oder das Design wieder aufladbare Modelle vorsieht, sind die Batterieoptionen in der Regel begrenzt. Außerdem verbrauchen Low-Power-Funksysteme oft wenig Strom, während sie sich im Standby befinden, benötigen aber große Stromimpulse zum Aufwachen. Nicht alle Akkus sind dafür geeignet. Beachten Sie die Hinweise des Herstellers.

• Anschlussarten: Es gibt Funksysteme mit kurzer Reichweite wie ZigBee, Bluetooth und Wi-Fi bis hin zu Modellen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch wie LoRaWAN, SigFox und Mobilfunknetzen. Achten Sie daher auf die Eigenschaften der einzelnen Arten von Funksystemen, beispielsweise auf die Wellenlängen und Frequenz.

Einige Wellenlängen breiten sich deutlich besser aus als andere, was zu einer höheren Energieeffizienz führt. Theoretisch neigen niedrigere Frequenzen dazu, sich besser auszubreiten als höhere (in der Praxis kann das Szenario anders sein), aber die Datenübertragungsrate kann reduziert sein. Höhere Frequenzen legen tendenziell kürzere Strecken zurück, verfügen aber über eine größere Bandbreite und höhere Übertragungsgeschwindigkeiten. Je länger die Strecke ist, die die Signale zurücklegen müssen, desto langsamer ist die Gesamtgeschwindigkeit.

Hinsichtlich der Topologie des Funksystems sind Sternsysteme ideal, wenn das Master-Gerät nicht batteriebetrieben ist und die Lasten selbst verwalten kann. In Fällen, in denen alle Geräte eine geringe Leistung haben, können Mesh-Netzwerke mit mehreren Repeatern sich besser eignen.

• Umweltfaktoren: Kalte Umgebungen verkürzen häufig die Lebensdauer der Akkus. Hohe Temperaturen können sich ebenfalls bei manchen Modellen negativ auswirken.

• Antennen: Eine gute Anpassung der Antennen ermöglicht es, den Stromverbrauch zu minimieren, um die gewünschte Reichweite zu erreichen.

• Reaktionsfähigkeit: Im Allgemeinen müssen drahtlose IoT-Geräte mit niedrigem Stromverbrauch schnell den “wachen” Zustand erreichen, d. h. über eine möglichst kurze Reaktionszeit verfügen. In der Regel gibt es eine oder mehrere Komponenten, die für das Aufwecken des Hauptprozessors zuständig sind. Es sollte aber wohl überlegt sein, das Gerät auszuschalten, weil dies nicht immer eine gute Methode ist, um Strom der Batterien zu sparen.

• Synchronismus: In Fällen, in denen Geräte miteinander kommunizieren müssen, müssen beide Geräte synchronisiert sein und bleiben. Wir empfehlen, die Verwendung von Receivern zu minimieren, um die Batterien zu schonen, indem diese im Energiespar- bzw. Ruhemodus bleiben. Wie also sorgt man für eine fehlerfrei Kommunikation? Dazu gibt es mehrere Protokolle, die die korrekte Übertragung der Daten sicherstellen, zum Beispiel mit einer Fehlererkennung.

• Uhr: Jedes Gerät verwendet eine Art von Uhr, die mit der Temperatur variieren kann. Daher sollten Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden, die Zeitunterschiede zwischen den Geräten erzeugen und dadurch den Stromverbrauch der Batterie erhöhen können, um den Synchronismus zu fördern.

• Sender: Wenn der Sender eingeschaltet ist, befindet sich das Low-Power-Funksystem anm Punkt seines maximalen Verbrauchs. Daher ist es sinnvoll, eine Minimierung der übertragenen Datenmenge in Betracht zu ziehen.

• Updates: Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Funksystem zu aktualisieren: manuell oder Over The Air (OTA), wobei das Funkgerät selbst seinen Code aktualisiert. OTA-Updates sind generell deutlich effizienter, aber es besteht zugleich eine größere Gefahr, dass etwas schief geht. Berücksichtigen Sie Faktoren wie die Sicherheit und die Systemverfügbarkeit.

Zukunft des IoT: ohne Batterien?

Mit der Vision, die industrielle IoT-Welt von Batterien zu befreien und den Weg in die Ära der selbstversorgten Systeme zu ebnen, wurde im Jahr 2012 Everactive gegründet. Die Gründer des Unternehmens hörten oft Berichte von Industrieanlagen, die Sorge hatten, IoT-Lösungen mit batteriebetriebenen Sensoren einzusetzen und dann Probleme mit dem ständigen Austausch dieser Komponenten zu haben.

Zusätzlich zu den Einschränkungen bei den Batterien gab es auch Probleme im Zusammenhang mit drahtlosen Netzwerken. Um die Anforderungen einer Fabrik effektiv zu erfüllen, wäre ein Netzwerk mit einer hohen Sensordichte erforderlich, um größere Umgebungen durch kabellos übertragene Signale abzudecken.

Genau diesen beiden Problem widmet sich Everactive – der Abschaffung von Batterien mit Sensoren, die nur eine minimale Wartung erfordern und eine hohe Lebensdauer haben; und der Neuerfindung der drahtlosen Netzwerke mit IC-Technologien mit einem sehr niedrigem Stromverbrauch.

Das erste Produkt, das mit Eversensors angeboten wird, überwacht Kondensatableiter von Dampfsystemen, die sowohl in kleinen Fabriken als auch in großen Ölraffinerien eingesetzt werden. Eine weitere Lösung umfasst Überwachungssensoren für rotierende Maschinen wie Motoren und Pumpen. Dank wesentlich geringerer Wartungs- und Austauschkosten können die Sensoren in größerem Umfang eingesetzt werden als batteriebetriebene Sensoren und bieten somit mehr Transparenz über den industriellen Betrieb.

Die Gründer von Everactive sagen, dass sie ein paar Jahre davon entfernt sind, durchsichtige, flexible, briefmarkengroße Sensoren anzubieten. Die einfache Installation und Nutzung, die das Unternehmen bietet, ermöglicht eine Nutzung weit über Fabriken hinaus.

Das belgische Unternehmen e-peas Semiconductor konzentriert sich indes darauf, den Prozess des Sammelns von Energie aus der Umgebung für IoT-Systeme effizienter zu gestalten, statt Batterien gänzlich loszuwerden.

Eine der Herausforderungen in diesem Zusammenhang ist, dass der Stromfluss, der von Solar-, Wärme- oder Vibrationsquellen kommt, nicht zuverlässig kontinuierlich ist. Die zweite Herausforderung hängt mit der drahtlosen Kommunikation von IoT-Geräten zusammen, die einen nicht-kontinuierlichen Stromfluss mit Spitzen während der Datenübertragung erfordert, der von herkömmlichen Batterien jedoch oftmals nicht unterstützt wird.

Um diese Hürden zu überwinden, bietet e-peas spezielle PMICs (Power Management Integrated Circuits) für Energy Harvesting an. Einer davon arbeitet mit Solarenergie und erlaubt bis zu sieben Zellen als Input und eine bessere Leistung beim Laden und Ausgleichen von Superkondensatoren und erfüllt so die aktuellen Anforderungen von RF-Systemen. Ein anderes Modell von PMICs, das ähnliche Spezifikationen aufweist, ist auf Energy Harvesting aus Vibrationen ausgerichtet.