C’è bisogno di sensori IoT a basso consumo

L’Internet delle cose è in crescita e in espansione, anche se i dispositivi IoT tendono a stagnare. Ciò comporta una nuova serie di sfide. Forse la cosa più importante oggi è come far comunicare tra loro miliardi di piccoli dispositivi sparsi nelle case, nelle città e nelle catene di approvvigionamento senza dover cambiare le batterie ogni poche settimane. Gli utenti possono caricare i propri smartphone e hub di casa intelligente, ma i sensori wireless utilizzati per monitorare lo stato delle macchine, il carico delle navi portacontainer e migliaia di altre cose non possono farlo.

I sensori wireless che possono funzionare per mesi, anni e persino decenni senza esaurire la batteria sono fondamentali per il futuro dell’IoT e ciò dipende da una combinazione di hardware efficiente, software intelligente e tecnologia di rete adeguata.

Scopri di più sui sensori IoT a basso consumo

• L’hardware e il software IoT consumano poca elettricità
• La connettività dei sensori IoT consuma poca energia
  • Onda Z
  • Zigbee
  • 6LoWPAN
  • Bluetooth a basso consumo energetico (BLE)/Bluetooth intelligente
  • Wi-Fi HaLow
  • Sigfox
  • Cellulare (GSM/GPSR/LTE rispetto a LTE-M/NB-IoT)

L’hardware e il software IoT consumano poca elettricità

I sensori di solito non richiedono molta elettricità per funzionare. Se tutto quello che devono fare è leggere la temperatura un paio di volte al giorno, il consumo di elettricità è quasi trascurabile. Ma hanno anche altri due compiti: elaborare i dati (tramite microcontrollori) e inviare dati altrove (tramite un trasmettitore a radiofrequenza). Questo è quando i sensori consumano molta elettricità.

Un modo semplice per mantenere il consumo energetico al minimo è mantenere il sensore in uno stato di “sospensione” per la maggior parte del tempo, utilizzando un dispositivo di allarme. Questo dispositivo di allarme consumerà solo una piccola quantità di energia finché non invierà un segnale al sensore, indicando che è ora di misurare, elaborare e trasmettere il segnale. Minore è la potenza utilizzata da questo dispositivo di allarme, più a lungo funzionerà il sensore, indipendentemente dalla potenza utilizzata dai circuiti di elaborazione dati e dai trasmettitori RF.

In generale, l’invio di grandi quantità di dati su lunghe distanze richiede molta elettricità. Pertanto, sono importanti sia l'invio della quantità minima di dati che l'utilizzo di un protocollo di connessione a basso consumo. L'elaborazione locale dei dati può aiutare a ridurre la potenza utilizzata durante la trasmissione, ma trovare il modo migliore per inviare i dati è più difficile, poiché diverse tecnologie wireless funzioneranno meglio in casi diversi. Tuttavia, ci sono diverse opzioni, dalle reti Wi-Fi e cellulari ad alto consumo energetico (come GSM, GPSR, LTE, ecc.) alle opzioni a basso consumo come Zigbee e Sigfox.

La connettività dei sensori IoT consuma poca energia

Non tutti i sensori IoT sono uguali: alcuni trasmetteranno dati in aree urbane dense, altri potrebbero essere utilizzati in aree montuose remote. Gli esseri umani possono utilizzare parecchi sensori nelle case e nelle fabbriche. Le frequenze alle quali operano i sensori, così come i protocolli che utilizzano su ciascuna frequenza, varieranno a seconda del caso d'uso e di altri fattori, ma quelli che seguono sono alcuni dei protocolli più comuni, elencati in ordine di intervallo da breve a lungo.

Onda Z

• Portata: 30 m - 100 m
• Frequenza: 900 MHz
• Velocità di trasmissione dati: 10 - 100 bit/sec

Utilizzata principalmente per scopi di automazione domestica, Z-wave è una popolare tecnologia a basso consumo che supporta reti mesh e funziona sulla banda inferiore a 1 GHz, contribuendo a ridurre il consumo di energia elettrica e le interferenze di altri dispositivi.

Zigbee

• Portata: 10 m - 100 m
• Frequenza: 2,4 GHz
• Velocità di trasmissione dati: 250kbit/s

Zigbee è stato finora ampiamente adottato nell'Industrial Internet of Things (IIoT) ed è specializzato nel funzionamento di reti mesh di sensori a corto raggio con un basso consumo energetico. Riduce al minimo il tempo in cui le onde radio del sensore sono attive per ridurre il consumo di energia.

Puoi vedere di più: Confronta Zigbee e Z-Wave, due tecnologie wireless per case intelligenti

6LoWPAN

• Ambito: vario
• Frequenza: flessibile
• Velocità di trasmissione dati: 20 - 250kbit/sec

Sebbene spesso considerato un concorrente di Zigbee, 6LoWPAN non è un protocollo applicativo. 6LoWPAN è un protocollo di rete basato su IPv6 , ciò significa che ogni dispositivo connesso avrà un proprio indirizzo identificativo univoco. Ciò rende 6LoWPAN facilmente compatibile con i sistemi esistenti basati su IP e può effettivamente funzionare su una varietà di bande, non solo su una singola banda. 6LoWPAN non è ancora ampiamente adottato, ma il suo basso consumo energetico offre alcuni grandi vantaggi di compatibilità.

Bluetooth a basso consumo energetico (BLE)/Bluetooth intelligente

• Portata: 20 m - 150 m
• Frequenza: 2,4 GHz
• Velocità di trasmissione dati: 1Mbps

Il Bluetooth è già integrato in molti dispositivi consumer e, con l’introduzione delle versioni a basso consumo, ha fatto un enorme passo avanti per l’IoT. Supporta livelli di throughput più elevati e portate più lunghe rispetto ad altre tecnologie. Può diventare la scelta migliore per molte applicazioni grazie alla sua compatibilità.

Wi-Fi HaLow

• Portata: fino a 1 km
• Frequenza: 900 MHz
• Velocità di trasmissione dati: 150Kbps - 18Mbps

Sviluppato dalla Wi-Fi Alliance come standard a basso consumo per la connessione di dispositivi IoT, HaLow compete principalmente con Bluetooth se utilizzato per dispositivi domestici intelligenti e reti di sensori. La frequenza di 900 MHz offre una buona portata e la capacità di penetrare gli ostacoli. Tasso di rendimento molto elevato, consumo energetico molto basso. Non è ancora ampiamente utilizzato, ma si prevede che svolga bene il suo lavoro.

Sigfox

• Portata: 3 km - 50 km (a seconda degli ostacoli)
• Frequenza: 900 MHz
• Velocità di trasmissione dati: 100 - 600 bit/sec

Per trasferimenti di dati di piccole dimensioni, a lungo raggio e a basso consumo, Sigfox è difficile da battere. A seconda dell'ambiente, può inviare dati su lunghe distanze. La velocità effettiva è piuttosto bassa, il che lo rende una scelta sbagliata per i dispositivi ad uso intensivo di larghezza di banda, ma ottimo per strumenti di misurazione generici e sensori di base. Sigfox è ampiamente disponibile in Europa, Stati Uniti, Australia e Asia.

Cellulare (GSM/GPSR/LTE rispetto a LTE-M/NB-IoT)

La loro ubiquità e gli elevati tassi di throughput rendono le reti cellulari una scelta adatta per i sensori IoT, ma il loro elevato consumo energetico e la tendenza a congestionarsi anche con il traffico di rete in ambienti IoT non praticabili, li rendono impopolari tra i produttori di sensori a basso consumo. Ecco perché le persone lavorano continuamente per aggiornare l'infrastruttura esistente per supportare LTE-M (LTE-Machine, che significa consentire la trasmissione di dati IoT in tempo reale) e NB-IoT (NarrowBand -IoT), mirati specificamente ai dispositivi a bassa potenza e a basso throughput. . LTE-M e NB-IoT, insieme al 5G, saranno probabilmente utilizzati in molte future applicazioni IoT.

La tecnologia delle batterie è in costante miglioramento e la rapida implementazione di grandi reti di sensori è ben avviata. Abbiamo fatto passi da gigante nella realizzazione di sensori che risparmiano energia senza sacrificare le prestazioni.

Gli standard con un’ampia base di utenti esistenti, come Bluetooth, WiFi e telefonia mobile, saranno probabilmente ampiamente utilizzati in ambito domestico, mentre le applicazioni industriali e di altro tipo si rivolgeranno a qualsiasi applicazione. Quali tecnologie sono più adatte alla situazione in cui vengono utilizzate?

La realizzazione di reti di sensori a basso consumo diventerà sempre più popolare negli anni o addirittura nei decenni a venire.