Appareils NB-IoT alimentés par pile avec module Quectel BC66 et capteur Sensirion SHT4x

Kersten Heins prend l'exemple de la surveillance de la santé des arbres dans les plantations pour vous présenter une solution IoT à distance qui est simple, ne nécessite aucune maintenance, bénéficie d'une longue durée de vie et peut être utilisée en agriculture et dans d'autres secteurs d’activité.

La surveillance d'un site distant est une application IoT classique, mais ses cas d'utilisation peuvent être différents. Bien qu’il arrive que les paramètres observés ne changent pas rapidement et ne soient pas critiques en soi, certains propriétaires d’entreprises demandent des mises à jour régulières, par exemple toutes les x heures. Prenons l'exemple d'un « capteur d'arbre », une solution IoT permettant de surveiller l'état de santé d’un arbre. Cette solution est particulièrement intéressante pour les terres cultivées, par exemple une plantation de noix. À cette fin, un appareil IoT alimenté par pile et équipé d’un capteur est monté sur un arbre de référence, où il recueille des données environnementales comme l'humidité ou les courants d'air - informations essentielles au propriétaire de la plantation pour optimiser la croissance, le rendement, etc.

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En général, ces capteurs d'arbre sont déployés en l’absence d’une alimentation électrique et d’un réseau local. Par conséquent, pour ce cas d'utilisation, un appareil IoT devra être alimenté par une pile et un réseau cellulaire garantira qu'il peut être utilisé (presque) partout. De plus, le capteur d’arbre devra être prêt à fonctionner « sans contact » pendant tout son cycle de vie, à savoir il ne devra nécessiter aucun entretien ni remplacement ou recharge de la pile pendant de nombreuses années. Ce qui signifie que notre capteur IoT devra être conçu pour une efficacité énergétique maximale. 

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Un capteur d'arbre n'est qu'un exemple de la raison pour laquelle les nouvelles technologies de l’IoT cellulaire à basse consommation - comme le NB-IoT - inspirent l'industrie dans la création de nouveaux concepts IoT. Il existe bien d’autres cas d'utilisation de l’IoT comme celui-ci, pour le secteur agricole ou à des fins industrielles ou de consommation comme, par exemple:

  • un appareil de mesure du niveau de remplissage d'un silo;
  • un capteur de débit volumique signalant l'utilisation et indiquant des fuites dans les pipelines;
  • des appareils pour divers cas d'utilisation de la surveillance et la détection d'objets
  • un appareil de localisation fournissant la position géographique d'un objet mobile de valeur.

Il s'agit là d'applications « push » classiques, où l’appareil IoT est la plupart du temps inactif, ne se « réveillant » qu'occasionnellement lorsqu'il est déclenché par un programme fixe ou un événement externe. Le NB-IoT est une technologie de réseau cellulaire (LPWAN = Low Power Wide Area Network, soit réseau étendu à basse consommation) qui répond spécifiquement à ce type d'exigences, en particulier si des appareils IoT stationnaires sont utilisés pour la transmission occasionnelle de petits paquets de données en charge utile. 

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Le module d'interface réseau (autrement dit, « modem ») est un composant clé des appareils NB-IoT. Quectel (www.quectel.com) est l’un des principaux fabricants de solutions IoT. Le module NB-IoT Quectel BC66 répond entièrement aux exigences de ce concept d'appareil IoT alimenté par pile.

Le spécialiste des capteurs environnementaux Sensirion (www.sensirion.com) propose une large gamme de produits détectant de nombreux paramètres comme l'humidité, la température, les COV (composés organiques volatils), les NOx (oxydes d'azote), le CH₂O (formaldéhyde) et le CO₂ (dioxyde de carbone). Tous ces capteurs assurent des interfaces I2C pour faciliter leur intégration dans les appareils IoT ainsi que des modes basse consommation pour les applications alimentées par pile.

Pour améliorer sa protection en conditions environnementales extrêmes, l'antenne NB-IoT doit être montée à l'intérieur du boîtier de l’appareil IoT. À cette fin, 2J Antennas propose des adhésifs et des produits de petite taille adaptés à une solution intégrée.

Appareils NB-IoT alimentés par pile avec module Quectel BC66 et capteur Sensirion SHT4x

Figure 1 : Capteur environnemental NB-IoT alimenté par pile - Schéma fonctionnel

Remarque : SOS electronic est un fournisseur qualifié de produits Quectel, Sensirion et 2J antennas. Pour compléter la solution IoT à basse consommation, SOS electronic propose également une large gamme de piles au lithium signées Fanso, Xeno et EVE.

Technologie NB-IoT et module Quectel BC66 pour une consommation d’énergie minimale 

Afin de réduire autant que possible la consommation d'énergie des appareils IoT, la technologie NB-IoT fait appel à une fonction efficace, à savoir le PSM (Power Saving Mode ou mode d’économie d’énergie), qui permet à un appareil NB-IoT de mettre hors tension la plupart des composants de l'interface réseau, y compris l’émetteur-récepteur RF, pendant une période d'inactivité convenue

La durée de cette période est déterminée par le timer T3412 (autrement dit « timer TAU »), qui est principalement utilisé par l’appareil NB-IoT pour la mise à jour périodique de la localisation (TAU est l’abréviation de Tracking Area Update). Il s'agit d'une fonction LTE standard qui permet de notifier la disponibilité d'un appareil utilisateur au réseau connecté. Une fois que l’appareil est connecté au réseau, il reste enregistré durant les périodes en mode PSM, mais l'activité de transmission attendra l’expiration du timer T3412. Par nature, des périodes en mode PSM plus longues se traduiront par une réduction de la consommation d'énergie. Selon le cas d'utilisation de l'IoT, il appartiendra au développeur de déterminer la période idéale pendant laquelle son appareil devra rester en mode PSM. Selon la spécification 3GPP, le timer T3412 peut être programmé pour des périodes en mode PSM pouvant atteindre 413 jours ! 

Appareils NB-IoT alimentés par pile avec module Quectel BC66 et capteur Sensirion SHT4x

Figure 2 : Activité périodique de l’appareil (simplifiée)

Pendant les périodes en mode PSM convenues, le réseau mettra en mémoire tampon tout le trafic de téléchargement vers l’appareil IoT enregistré mais inaccessible. Notre concept d’appareil « push » alimenté par pile repose sur l'idée que toutes les activités IoT locales sont traitées durant une seule période (voir la figure 2). Ces activités sont, par exemple : lire le capteur, recevoir des messages en attente (comme une commande à distance de l'opérateur), transmettre les données en charge utile dans l’IoT.

La plupart du temps (près de 99,99 %), l’appareil reste en mode veille renforcée et ne consomme alors que quelques µA. Après l'expiration du timer T3412, le module Quectel BC66 récupère les éventuels messages en attente sur le réseau. Durant la réception, le module consommera environ 30 mA et, durant la transmission en liaison montante, il consommera même près de 200 mA à une puissance de sortie de 23 dBm. Au fil du temps, la fréquence et la durée de ces pics de consommation d'énergie auront un impact significatif sur la durée de vie de la pile. Il n'est pas surprenant que le fait de doubler la fréquence des périodes d'activité (par exemple, en passant d'une à deux fois par jour) réduise de moitié la durée de vie de la pile. 

Et il existe bien d’autres aspects qui contribueront à la consommation d'énergie totale de l'appareil. Par exemple, le positionnement et l'adaptation de l'impédance de l'antenne de l’appareil sont des aspects critiques de la conception qui ont un impact significatif sur les performances RF. L'adaptation de l'antenne est nécessaire pour maximiser la puissance de sortie à une fréquence porteuse NB-IoT spécifique. En général, la position de l’appareil a un impact sur la consommation d'énergie et sa distance jusqu’à la station de base connectée doit être aussi courte que possible pour maximiser l'efficacité et la qualité du signal. Il s'agit d'un point critique car il faut éviter de faire fonctionner des appareils alimentés par pile au niveau 2 de l'extension de couverture (CE, Coverage Extension). Cette fonction NB-IoT est utile pour assurer la couverture dans les zones difficiles à atteindre, mais elle fait appel à des répétitions et à des codes supplémentaires de correction d'erreurs qui augmentent considérablement la charge utile des données et les temps de transmission. Ainsi, du point de vue du déploiement, il est avantageux de travailler avec un opérateur de réseau mobile virtuel ou MVNO (Mobile Virtual Network Operator), qui vous permet de choisir votre réseau parmi d’autres, au lieu de vous connecter à un seul. Voir la référence 5 pour de plus amples explications.

Le module Quectel BC66 offre plusieurs options de prise en charge du concept d’appareils à basse consommation en exploitant le mode PSM du NB-IoT (voir la référence 2). L’appareil IoT peut demander au réseau NB-IoT d'entrer en mode PSM par le biais d'une commande AT, ce qui permet à l’appareil d'entrer en mode veille renforcée pendant la période en mode PSM convenue.

En mode veille renforcée, l'interface UART est inactive et il n'existe que deux façons de ramener le module à l’état actif : après expiration du timer TAU périodique interne ou par un événement de réveil externe.

Les événements de réveil externes sont indiqués par l’activation de la broche PSM_EINT du module Quectel BC66. Cette méthode peut être utilisée pour un événement local prédéfini, par exemple un dépassement de seuil (par exemple, dire « il fait trop chaud ») ou si la présence d'un objet a été détectée. Il s'agit d'une autre application IoT « push » typique qui peut être traitée par le module Quectel BC66 ou en coopération avec un réseau NB-IoT. Cependant, pour notre exemple de « capteur d'arbre », nous utilisons le timer TAU périodique interne mentionné pour le réveil. 

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Le concept d'un appareil « push » alimenté par pile

Pendant les périodes en mode PSM convenues, tous les composants de l’appareil sont configurés pour fonctionner dans leur propre mode d'inactivité à une consommation d'énergie extrêmement faible.

Par exemple, le capteur d'humidité Sensirion SHT4x ne consomme pas plus de 1 µA à 25 °C (voir la référence 4). Pour assurer une longue durée de vie à l’appareil IoT, il faut orchestrer correctement les fonctions de gestion de l'énergie de ses trois principaux composants : le module réseau Quectel BC66, le MCU hôte et le capteur (voir le schéma fonctionnel en figure 1). Deux d'entre eux se relaient dans le rôle de maître : l’application de l’appareil IoT est exécutée par le MCU hôte, mais la gestion du réveil est assurée par le module Quectel BC66 en coopération avec le réseau NB-IoT. Ce qui se fait via la broche de sortie VDD_EXT, qui est un indicateur externe du fait que le module Quectel BC66 est en mode veille renforcée. 

Ainsi, lorsque le module Quectel BC66 sort du mode veille renforcée, son signal VDD_EXT réveille le MCU hôte et le programme d'application IoT intégré (micrologiciel) pour prendre le contrôle de l’appareil IoT - en fonction des exigences du cas d'utilisation. Pour ce microcontrôleur, la reconnexion au réseau enregistré et la demande de messages de liaison descendante en attente seront les premières opérations à faire. Le réveil de la puce du capteur et le lancement d'un cycle de mesure doivent également être effectués au cours de chaque période d'activité (voir la figure 2). Après avoir terminé, le MCU transmettra les données en charge utile IoT au module Quectel BC66, demandera que les données soient converties au format du protocole sélectionné (par exemple, UDP ou MQTT) et lancera la transmission des données via le réseau cellulaire. Enfin, le MCU demandera au module Quectel BC66 de lancer la période en mode PSM suivante, et l’appareil IoT réintègrera la boucle infinie des cycles d'activité et en mode PSM

Au final, la consommation d'énergie de chaque composant pendant toutes les périodes actives et inactives s'agrégera à la consommation d'énergie totale de l’appareil IoT. Dans notre cas, ce sont un MCU de 8 bits et le capteur Sensirion SHT4x avec des modes veille consommant moins de 1 µA qui ont été sélectionnés. Pour notre calcul, nous supposons qu'il y aura une période d'activité toutes les 12 heures (à savoir les données IoT seront communiquées deux fois par jour) et chacune d’elles durera 5 secondes. Pendant ces périodes d'activité, la consommation électrique de l’appareil sera dominée par la puissance RF nécessaire pour se reconnecter et transmettre le paquet de données IoT au réseau.

Dans notre cas d'utilisation, les composants sélectionnés et les paramètres configurés pour les courtes périodes d'activité et les longues périodes en mode PSM donnent une consommation d'énergie totale d'environ 275 mAh par an (voir la référence 5 pour une explication plus détaillée et la feuille de calcul de ces chiffres). Avec cette approche, une pile au lithium AA de 3000 mAh assurera une extraordinaire durée de vie de 10,9 ans pour un produit sans contact, ce qui constitue une proposition à haute valeur ajoutée pour une solution IoT de télésurveillance qui peut être utilisée partout.

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