Batterielebensdauer in IoT-Anwendungen berechnen

| Autor / Redakteur: Cliff Ortmeyer * / Michael Eckstein

Impulsiv: Stoßweiser Stromverbrauch von IoT-Sensoren beeinflusst die Ausgangsspannung. Eine mit 2 mA betriebene Last kann die Spannung einer CR2032-Zelle kurzfristig von 3 V auf ca. 2,2 V fallen lassen.
Impulsiv: Stoßweiser Stromverbrauch von IoT-Sensoren beeinflusst die Ausgangsspannung. Eine mit 2 mA betriebene Last kann die Spannung einer CR2032-Zelle kurzfristig von 3 V auf ca. 2,2 V fallen lassen. (Bild: Farnell)

Batteriekapazität und Stromaufnahme entscheiden, wie lange ein IoT-Gerät durchhält. Geschicktes Ausnutzen der verfügbaren Hardware-Funktionen hilft, den Verbrauch zu minimieren.

Das Internet hat die Art und Weise, wie wir die meisten elektronischen Systeme entwickeln, grundlegend verändert. So steht mittlerweile bei verschiedensten Anwendungen – angefangen bei Hinweisschildern an Bushaltestellen bis hin zu komplexen Industriesystemen – das Thema Konnektivität im Mittelpunkt. Die mitunter größte Veränderung stellen jedoch Sensorsysteme dar, die Daten sammeln und Informationen an die Cloud weiterleiten.

Diese „Dinge“ verfügen oft über keinen eigenen Stromanschluss. Das bedeutet, dass sie sich in irgendeiner Weise selbst mit Strom versorgen müssen, was in den meisten Fällen mithilfe von Batterien oder Verfahren zur Energiegewinnung gelingt. Für viele Applikationen stellt dieses „Energy Harvesting“ die vielversprechendste Lösung dar. Sie ermöglichen theoretisch einen endlosen Betrieb, wenn das Gerät so konzipiert werden kann, dass es weniger Energie verbraucht als durch die Energiegewinnung erzeugt wird.

Welche Faktoren beeinflussen die Batterielebensdauer?

Es gibt jedoch auch zahlreiche Anwendungen, für die dieser Ansatz nicht geeignet ist, da die verfügbare Energie zu gering oder der Systemleistungsbedarf zu hoch ist. In solchen Fällen ist für den Betrieb des Systems eine Batterie erforderlich. Batterien müssen ab einem bestimmten Zeitpunkt jedoch ausgewechselt werden. Da die Kosten für den Ersatz einer Batterie oftmals über denen des eigentlichen IoT-Geräts liegen, ist es wichtig, die genaue Batterielebensdauer berechnen zu können.

Die Standzeit eines IoT-Geräts lässt sich mithilfe einer einfachen Rechnung bestimmen: Man teilt die Batteriekapazität durch die durchschnittliche Selbstentladung. Eine Minimierung der vom Gerät benötigten Energie oder eine Steigerung der Batteriekapazität sorgen dafür, dass auch die Lebensdauer der Batterie steigt und somit die Gesamtbetriebskosten für das Produkt sinken.

Da Batterien oftmals den größten Bestandteil eines IoT-Sensorsystem darstellen, bleiben Entwicklern meist keine große Auswahlmöglichkeiten. Für viele Prozessoren, Kommunikationstechnologien und Softwarealgorithmen lässt sich das System jedoch so ausrichten, dass es die gewünschte Lebensdauer erreicht.

Effiziente Ruhemodi für IoT-Prozessoren richtig nutzen

Speziell für IoT-Anwendungen entwickelte Prozessoren verfügen über eine Vielzahl an besonders energiesparenden Ruhemodi. Nehmen wir als Beispiel einen Wireless-Mikrocontroller der Baureihe CC2650MODA von Texas Instruments (TI). Die Abbildung oben auf der nächsten Seite zeigt den aufgenommenen Strom, wenn das Gerät in verschiedenen Modi betrieben wird. Der Stromverbrauch variiert vom Herunterfahren bis hin zum aktiven Betrieb zwischen immerhin sechs Größenordnungen.

Entgegen der landläufigen Meinung trägt möglichst häufiges Ausschalten des Prozessors bei Nichtverwendung nicht automatisch zu einem geringeren Stromverbrauch bei. Wenn die Datenaufnahme nicht gerade sehr unregelmäßig verläuft, bietet das Herunterfahren des Prozessors kaum Vorteile. Im Gegenteil: Unter Umständen kann die Stromaufnahme sogar höher sein. denn für den Neustart sind zusätzliche Schaltkreise und Codes erforderlich, was mehr Kosten und Komplexität verursacht.

Zudem verbrauchen Geräte im Standby-Modus weniger als 3 µA, was einer Batterielebensdauer von mindestens acht Jahren entspricht: Das ist länger als die Lebensdauer vieler IoT-Geräte und entspricht der Haltbarkeit einer Batterie der Baureihe CR2032. Deshalb ist es in vielen Fällen nicht sinnvoll, den Prozessor vollständig abzuschalten.

Stand-by-Optionen benötigen unterschiedlich viel Strom

Die Auswahl des richtigen Standby-Modus kann hier entscheidend sein. Der sparsamste Standby-Modus verbraucht nur rund ein Drittel so viel Strom wie die energieintensivste Option; noch wichtiger hier ist jedoch, dass nur sehr wenig vom Prozessorstatus gespeichert wird. Obwohl für einige IoT-Anwendungen der sparsamste Ruhemodus ausgewählt werden muss, entscheiden sich viele Benutzer dafür, den Cache beizubehalten, um die Anzahl der benötigten Zyklen für die im aktiven Modus erforderliche Verarbeitungsleistung zu minimieren.

Einen Kompromiss stellt hier die Verarbeitung im aktiven Modus dar. Die erste Abbildung zeigt, dass der Stromverbrauch linear mit der Taktrate steigt, was auf die für diesen Typ IoT-Prozessor genutzte CMOS-Technologie zurückzuführen ist. Deshalb scheinen höhere Taktgeschwindigkeiten gleichbedeutend mit einer geringeren Batterielebensdauer zu sein. Da jedoch ein „Grundstrom“ von 1,45 mA vorliegt, kann die verkürzte Aufwachzeit, die für die Ausführung des gleichen Algorithmus bei höheren Taktgeschwindigkeiten erforderlich ist, in Wirklichkeit eine Senkung der Batterielebensdauer bedeuten.

Stromverbrauch von IoT- Geräten: Jeder Taktzyklus zählt

Zudem gibt es eine endliche Aufwachzeit für den Wechsel von einem Modus in den anderen: So erfordert der CC2650MODA beispielsweise 151 µs, um vom Standby- in den aktiven Modus zu wechseln. Bei einer maximalen Taktfrequenz von 48 MHz bedeutet das, dass beim Hochfahren des Prozessors mehr als 7.000 Taktzyklen Strom verbraucht werden. Bei Anwendungen mit wenig Code kann ein Verlangsamen des Taktes, wobei die Code-Ausführungszeit im Austausch für einen geringeren Stromverbrauch beim Hochfahren erhöht wird, zu einer längeren Batterielebensdauer führen. Ebenso kann die Minimierung von Aufwachvorgängen und die Ausführung möglichst vieler Aufgaben vor der Rückkehr in den Standby-Modus die Batterielebensdauer erhöhen.

Bei den heutigen IoT-Geräten handelt es sich um sehr komplexe Produkte, die über zahlreiche Peripheriefunktionen verfügen, um eine Einchip-Lösung für verschiedene Anforderungen bereitzustellen. Einfache Sensoren brauchen diesen Funktionsumfang häufig überhaupt nicht.

Die Abbildung unten auf der nächsten Seite zeigt den Stromverbrauch der Peripheriefunktionen, die in den Geräten der Produktreihe CC2650MODA von TI zum Einsatz kommen. Obwohl der durch die verschiedenen Geräte verbrauchte Strom in der Größenordnung von einigen Dutzend oder Hunderten Mikroampere sehr gering ist, kann ihre Deaktivierung einen großen Unterschied bewirken. Wenn keine serielle Anschlussmöglichkeit erforderlich ist, lassen sich insgesamt 318 µA sparen. Auch wenn das nicht nach viel klingt, wirkt es sich entscheidend auf die Batterielebensdauer aus.

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