El secreto en el uso de las nuevas tecnologías es evitar el sobre diseño de sus productos, en especial cuando se trata del diseño de las baterías para sus equipos IoT y IIoT (Internet de las cosas/Internet Industrial de las cosas).
Cómo maximizar la vida de la batería en los diseños de Wi-Fi / Bluetooth IoT de modo dual, se está pidiendo a los diseñadores de dispositivos de Internet de las cosas (IoT) alimentados por baterías y otros productos conectados que cumplan los requisitos contradictorios de conectividad inalámbrica continua y de una mayor duración de las baterías. Esto aunado a la creciente demanda de Bluetooth 5 y Wi-Fi en el mismo dispositivo aumenta aún más los límites de energía ya limitados. Aunque la tecnología Wi-Fi y Bluetooth proporcionan protocolos estándares para ayudar a reducir el consumo de energía, el apoyo más directo se da en forma de una arquitectura que combina subsistemas de radio que pueden descargar las tareas de procesamiento de la red con un micro-controlador de baja potencia.
La conectividad Bluetooth
Se considera un requisito estándar para muchos dispositivos de IoT diseñados para interactuar con los usuarios a través de teléfonos inteligentes con Bluetooth y otros dispositivos móviles. Sin embargo, para muchas aplicaciones IoT, se necesitan conectividad Wi-Fi para acceder a una red de área local inalámbrica (WLAN) para llegar directamente a la Internet, o para interactuar con otros dispositivos pares y sistemas Huéspedes (host) en la misma red de datos.
La capacidad y esfuerzo continuo de los desarrolladores para prolongar la duración de la batería, sería mucho más sencilla si estos dispositivos IoT solo necesitaran conectarse al host de “WLAN o Bluetooth cuando necesitaran transmitir sus datos u otros mensajes”, algo llamado reporte por excepción.
– Caso IoT
Ahora bien, debido a que el ciclo de servicio activo de muchos dispositivos de IoT es generalmente bajo, estos dispositivos podrían alargar la vida de la batería al operar predominantemente en el modo de reposo de baja potencia, despertándose lo suficiente para realizar mediciones de los sensores, completar las tareas de procesamiento relacionadas y transmitir los datos resultantes antes de volver al modo de baja potencia. En realidad, la mayoría de los dispositivos de IoT deben responder rápidamente a los comandos y datos asincrónicos entrantes de dispositivos pares, sistemas host y usuarios finales.
Para seguir respondiendo, los dispositivos de IoT deben proporcionar la apariencia de una conectividad continua, permaneciendo alerta al tráfico entrante para poder responder en un período de tiempo aceptable. Si los desarrolladores intentan satisfacer este requisito fundamental despertando repetidamente sus dispositivos para recibir el tráfico entrante, la batería de su dispositivo se agotará rápidamente.
De hecho, los receptores de radio de los dispositivos Wi-Fi alimentados con pilas suelen consumir más energía con el tiempo que los transmisores de radio, a pesar del mayor consumo de energía asociado a una operación de transmisión individual. Por supuesto, la energía consumida por el procesador host del dispositivo por su parte en cada operación de recepción añade su propia carga sustancial al presupuesto de energía.
Afortunadamente, los estándares inalámbricos definen protocolos que permiten a los desarrolladores reducir la energía mientras mantienen la ilusión de una conectividad continua.
Antes de avanzar con el desarrollo del tema, es sabio definir que es el Internet de las cosas, en sus variantes: IoT y IIoT, así como otros conceptos de interés.
El Internet de las Cosas, o IoT, y el Internet de las Cosas Industrial, o IIoT.
Ambas representan dos de las tecnologías líderes de la revolución digital. Probablemente habrá oído estos términos muchas veces y puede que incluso utilice algunas tecnologías del IoT y del IIoT. Conectando numerosos dispositivos y equipos a Internet, el IoT y el IIoT pueden ayudar a las empresas a operar de manera más eficiente, tomar decisiones más informadas y desbloquear nuevas fuentes de ingresos.
– ¿Qué es y cómo funciona el IoT?
El IoT es una red de equipos conectados que se pueden comunicar entre sí y ofrecer datos a los usuarios a través de Internet. Los equipos IoT se pueden conectar a Internet y cuentan con sensores que les permiten recopilar datos. Un equipo del IoT puede ser útil por sí mismo, pero cuando se utilizan varios juntos, son incluso más valiosos.
A medida que más tipos de equipos se pueden conectar a Internet, el IoT crece cada día, incorporando desde maquinaria de fábricas a subestaciones eléctricas pasando por edificios e infraestructuras. Fabricantes, compañías energéticas, y otras organizaciones usan el IoT.
La tecnología del IoT le permite recopilar datos automáticamente a partir de varias funciones, como, es el caso de: Información de equipos críticos de planta (bombas, compresores, válvulas, etc.), cuánta energía utiliza la iluminación de un complejo, fabrica o edificio, o cuánta agua pasa por una planta de tratamiento de aguas residuales o aptas para el consume humano. Los equipos del IoT pueden transmitir los datos que recopilan a un sistema central a través de Internet. Los directivos pueden tomar con ellos decisiones informadas. Utilizando métodos de análisis de datos, podrá profundizar y obtener mayores conocimientos y predecir los resultados futuros.
– ¿Que son las interfaces de máquina a máquina (M2M)?
Las redes de máquina a máquina (M2M) son, en su núcleo, una permutación de telemática industrial, combinaciones de telecomunicaciones e informática que utilizan datos para ejecutar operaciones automatizadas. Las redes M2M incluyen sensores, controles y máquinas que se comunican sin la participación humana.
– ¿Qué es el salto de canal sincronizado?
El salto de canal en intervalos de tiempo o el salto de canal sincronizado en el tiempo (TSCH) es un método de acceso de canal para redes de medios compartidos. Los dispositivos de bajo consumo utilizan TSCH para comunicarse mediante un enlace inalámbrico. Está diseñado para redes de baja potencia y con pérdidas (LLN) y tiene como objetivo proporcionar una capa de control de acceso a los medios confiable.
Desarrollo del caso
– La rápida expansión del Internet industrial de las cosas (IIoT)
Este rápida expansión ha afectado a todos los sectores de la automatización industrial en el mundo. El IIoT permite un mayor uso de la inteligencia de datos al combinar minería de datos, analítica e inteligencia artificial (IA) para mejorar las comunicaciones entre los activos de planta y los sistemas corporativos, aumentando de esta forma la interoperabilidad, optimizar los flujos de trabajo, maximizar la eficiencia operativa, respaldar la mejora de la calidad y permitir la implementación de análisis predictivos, para programar proactivamente programas de mantenimiento y reconstrucción de equipos.
La infraestructura de comunicaciones de IIoT se está ampliando aún más mediante plataformas tecnológicas escalables que son accesibles en la nube y totalmente interoperables.
La conectividad inalámbrica remota ha permitido una rápida expansión del IIoT al eliminar los obstáculos de costos tradicionales asociados con el cableado, ya que puede costar $ 100 o más por pie para cablear cualquier dispositivo, incluso un interruptor de luz. La eliminación de la necesidad de cablear un dispositivo aumenta las oportunidades para implementar sistemas de control y automatización de datos (SCADA), control de procesos automatizados, garantía de calidad, gestión de activos, sistemas de seguridad, interfaces de máquina a máquina (M2M) y tecnologías relacionadas.
La proliferación de la tecnología inalámbrica ha llevado a una mayor demanda de varias baterías de grado industrial y de consumo. Dado que cada dispositivo es único en términos de sus requisitos de energía, se debe tener cuidado de especificar la batería correcta para evitar una solución sobre-diseñada.
– ¿Es la duración prolongada de la batería una consideración importante?
Muchos dispositivos inalámbricos que se encuentran en toda la planta son de fácil acceso, funcionan a temperaturas ambiente moderadas y se pueden reemplazar de forma rutinaria sin interrumpir las operaciones diarias. Cuando la duración prolongada de la batería no es una consideración crítica, se crea el escenario ideal para el uso de baterías alcalinas y de litio de grado de consumo.
Por el contrario, si la aplicación requiere una mayor duración de la batería, especialmente en entornos extremos, generalmente se requiere una batería de grado industrial.
Un ejemplo común son las redes de malla inalámbrica que consisten en paquetes de nodos (o motas) altamente escalables que recopilan y retransmiten datos y administran el rendimiento y la seguridad de la red mediante la tecnología “Time Synchronized Channel Hopping (TSCH)”.
– Duración extendida de la batería
La duración está influenciada por el uso de energía anual de la celda y su tasa de auto-descarga anual. La vida útil de la batería se puede extender mediante el uso de microprocesadores, componentes y circuitos de baja potencia, junto con el uso de protocolos de comunicaciones de baja potencia que conservan energía, como es el caso de: ZigBee, WirelessHART, LoRa o IEEE 802. 15.4e, así como WiFi. y tecnologías de telefonía celular.
La gran mayoría de los dispositivos inalámbricos de bajo consumo utilizan baterías de litio primarias (no recargables) que funcionan principalmente en un estado de espera que consume poca o ninguna corriente, despertando periódicamente o en intervalos pre-programados para consultar los datos y despertar sólo si se superan los umbrales de datos preestablecidos.
A través del diseño y la fabricación inteligentes, los dispositivos inalámbricos de bajo consumo a menudo agotan la capacidad de la batería disponible mediante la auto-descarga anual de la que se pierde con la actividad diaria.
Al diseñar cualquier dispositivo inalámbrico de grado industrial, normalmente se enfrenta a requisitos competitivos de lograr el rendimiento ideal del producto en lugar de pagar el precio más bajo posible, con soluciones de compromiso que a menudo resultan en baterías innecesariamente grandes y pesadas.
Si bien las baterías de gran tamaño pueden permitir que el dispositivo inalámbrico funcione, dicha ineficiencia puede costarle en términos de volumen del producto, reemplazos de batería demasiado frecuentes, junto con gastos de envío adicionales, especialmente a ubicaciones remotas de difícil acceso.
Para tomar una decisión más informada al especificar una batería, los ingenieros de diseño deben considerar los siguientes parámetros como parte del proceso de evaluación del proveedor: El voltaje de funcionamiento afecta la cantidad de celdas, las matemáticas básicas le dicen que requiere más del doble 1.5 v celdas para entregar el mismo voltaje que una sola celda de 3.6v.
Seleccionar una batería que proporcione un voltaje más alto podría ahorrar dinero al requerir el uso de menos celdas y / o reducir el tamaño y el peso del dispositivo.
Las temperaturas extremas pueden tener un efecto en el voltaje: la exposición a temperaturas extremas reduce el voltaje de la batería bajo pulso.
Si selecciona una batería con un rango de temperatura limitado y luego la implementa en un entorno hostil, es posible que deba especificar baterías de gran tamaño para compensar una caída esperada de voltaje bajo carga pulsada.
– Una solución de baterías eficientes para el IoT
Una batería de cloruro de tionilo de litio de tipo bobina (LiSOCl) que presenta una densidad de energía extremadamente alta (que ayuda a la miniaturización) junto con la capacidad de manejar pulsos altos a temperaturas extremas.
El uso de este tipo de batería de temperatura extendida puede eliminar la necesidad de transportar capacidad y / o voltaje adicionales para compensar las pérdidas esperadas de voltaje bajo pulso.
La tasa de auto-descarga afecta la capacidad: ciertas tecnologías de baterías sufren altas tasas de auto-descarga de hasta un 8% por mes, lo que requiere una batería más grande para compensar las pérdidas esperadas en la capacidad disponible.
Las pilas alcalinas son notoriamente de corta duración, aunque económicas. En ciertas situaciones, este tipo de compensación puede ser aceptable si la miniaturización del producto no es un requisito importante o si la batería se puede reemplazar fácilmente. Por el contrario, una batería de grado industrial con una auto-descarga anual muy baja podría permitir el uso de una batería más pequeña o posiblemente eliminar la necesidad de reemplazar la batería en el futuro. Esta es una consideración importante para las aplicaciones que involucran ubicaciones de difícil acceso donde el reemplazo de la batería es difícil o imposible y la falla de la batería no es una opción.
- Ejemplo de una batería LiSOCl tipo bobina
“Una batería LiSOCl tipo bobina” de calidad superior puede presentar una tasa de auto-descarga anual de solo 0,7% por año, por lo que puede retener más del 70% de su capacidad original después de 40 años. Por el contrario, una batería LiSOCl de menor grado fabricada con esencialmente la misma química podría tener una tasa de auto-descarga más alta de hasta un 3% por año.
Si bien el diferencial puede no parecer demasiado grande, con el tiempo este diferencial realmente se acumula con el tiempo, ya que la batería que pierde el 3% de su capacidad para la auto-descarga anual agotará el 30% de su capacidad original cada 10 años, haciendo 40 años duración de la batería imposible.
– Ahorro de Energía la gran propuesta
Es fácil confundir la necesidad de energía (una medida de la energía consumida a corto plazo) con la cantidad total de energía requerida (capacidad de la batería). Ciertos dispositivos inalámbricos están diseñados para un uso poco frecuente, pero deben funcionar de manera confiable para entregar una energía de pulso alta y continua durante períodos de tiempo relativamente breves sin consumir grandes cantidades de capacidad total.
Tenga en cuenta que la mayoría de las tecnologías de baterías comerciales no están diseñadas para ofrecer una alta relación potencia por energía, lo que exige el uso de una mayor cantidad de celdas para compensar su diseño de pulso bajo. Como resultado, las soluciones de compromiso a menudo requieren el uso de baterías de gran tamaño o adicionales, lo que da como resultado un volumen adicional y una capacidad innecesaria.
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