The Problem of Power Consumption in IoT
Internet vecí so svojím príchodom priniesol niekoľko zaujímavých tém, ktoré je potrebné riešiť. Patria medzi ne témy ako je bezpečnosť, ergonómia, technológie pre komunikáciu, ale hlavne nízka spotreba zariadení. Zariadenia IoT sú totiž častokrát napájané batériou, pretože nemajú priamy prístup k napájaniu. To je častokrát spôsobené tým, že sú umiestnené na miestach, kde prístup k elektrickej sieti proste nie je možný.
Hľadanie spôsobov, ako zabezpečiť nízku spotrebu, však samozrejme so sebou neprinieslo až IoT. Už dávno predtým sme tu mali kalkulačky, diaľkové ovládače, digitálne hry, ale aj notebooky alebo mobilné telefóny. Všetky tieto zariadenia boli napájané z batérií. IoT zariadenia však predstavujú špeciálnu skupinu zariadení, kedy sa očakáva, že tieto zariadenia budú schopné vykonávať svoju činnosť bez zásahu používateľa mesiace až roky. A pred vyčerpaním batérie ešte stihnú s dostatočným predstihom upozorniť, že je potrebné batériu vymeniť. Energeticky autonómne zariadenia sú totiž základom IoT.
V prípade IoT zariadení si však nemôžeme dovoliť to isté, čo v prípade štandardných zariadení napájaných z elektrickej siete a teda - premieňať prebytok energie na teplo.
So zvyšujúcim sa množstvom prenosných zariadení vznikajú stále nové a nové technológie pre zvyšovanie kapacity batérií. Rovnako tak vznikajú aj postupy na to, ako zabezpečiť nízky odber energie. Takýchto postupov je niekoľko, ale v princípe je možné ich rozdeliť do dvoch základných skupín a síce:
- postupy pre znížovanie odberu pri navrhovaní softvéru, a
- postupy pre znížovanie odberu pri navrhovaní hardvéru.
IoT zariadenia totiž častokrát nevyžadujú pre svoju činnosť, aby boli neustále napájané. Napríklad pri meraní teploty v miestnosti nie je potrebné, aby jej odčítanie zo senzora teploty prebehlo každú sekundu. V tomto prípade si je možné vystačiť dokonca s niekoľko minútovým intervalom merania teploty. Kým tento interval neuplynie, tak zariadenie nerobí nič. Nič však môže znamenať uspatie procesu na potrebnú dobu pomocou volania funkcie delay() (v prípade napr. prototypovacej dosky Arduino Uno). To sa síce môže javiť tak, že mikrokontrolér nič nerobí, pretože funkcia delay() je blokovacia, ale zariadenie bude elektrickú energiu odoberať aj naďalej. Ak sa však na potrebný čas uvedie do režimu spánku, jeho odber elektrickej energie bude minimálny.
Uviesť mikrokontrolér do režimu spánku však nie je jediný spôsob, ktorým je možné znížiť odber elektrickej energie. Martin Malý vo svojej knihe Hradla, volty, jednočipy uvádza aj ďalšie postupy:
- zníženie napájacieho napätia (aspoň na úroveň 3,3V)
- spomaliť prácu mikrokontroléra (napr. jeho uspaním alebo znížením jeho pracovnej frekvencie)
- používať CMOS technológiu, ktorá má v kľude veľmi nízky odber
Znížiť odber napájania je samozrejme možné aj výberom vhodných komponentov. Častokrát môže ísť o zbytočné LED diódy, ktoré síce v porovnaní s inými zdrojmi svetla nízky odber, ale pri neustálom svietení dokážu spoľahlivo a rýchlo vybiť zdroj napájania. V prípade IoT zariadení sú však zaujimáve komponenty zabezpečujúce komunikáciu. Existujú totiž technológie, ktoré sú absolútne nevhodné pre tento typ komunikácie, zatiaľ čo iné boli dizajnované práve pre tento typ zariadení.
Pri navrhovaní hardvéru si je tiež dobré uvedomiť, že celkovú spotrebu ovplyvňuje spotreba jednotlivých komponentov. Niektoré náročnejšie senzory dokonca krátkodobo vyžadujú veľmi veľký prúd aj napriek tomu, že počas bežnej prevádzky, resp. pri uspaní je ich spotreba minimálna. Po zobudení alebo pri pripájaní (napr. niektoré komunikačné moduly) sú však schopné krátkodobo vyžadovať odber aj 2A. Batéria teda musí byť pripravená v závislosti od komponentov IoT zariadenia aj na takúto krátkodobú záťaž.
V nasledujúcich dvoch kapitolách budú postupne predstavené možnosti oboch hlavných prístupov pre znižovanie spotreby elektrickej energie. Najprv to budú možnosti v prípade navrhovania softvéru IoT riešenia a následne to budú možnosti v prípade navrhovania hardvéru IoT riešenia.