Tout savoir sur l’autonomie énergétique de vos capteurs IoT et comment agir pour l’optimiser

Les capteurs IoT réalisent 3 fonctions de base : mesurer, communiquer et se mettre en état de veille.

Ils peuvent être placés n’importe où et répondre à de nombreux cas d’usage, par exemple :  

  • Relever les données de consommations énergétiques d’un bâtiment tertiaire,
  • Surveiller les paramètres clés des équipements d’un bâtiment industriel pour prévoir les pannes potentielles et planifier les activités de maintenance à l’avance,
  • Garantir une bonne qualité de l’air intérieur pour préserver la santé des occupants d’un immeuble de logements collectifs,
  • Surveiller la présence des employés ou l’occupation de bureaux dans un open space,

Une exigence commune à tous ces capteurs IoT : minimiser la consommation d’énergie car ils sont dans la plupart des cas alimentés par des piles.

POURQUOI FAUT-IL MINIMISER LA CONSOMMATION D’ENERGIE DES CAPTEURS ALIMENTES PAR DES PILES ?

1- Assurer le ROI de votre projet de déploiement

Pour tout capteur déployé, le remplacement des piles a non seulement un coût matériel mais aussi un coût de main-d’œuvre. Et, dans le cas d’un déploiement massif de capteurs ou de capteurs installés dans des lieux difficiles d’accès ou en itinérance, ces coûts de main-d’œuvre dépassent très largement le coût du produit lui-même. 

En effet, le coût d’un déplacement sur site est généralement estimé entre 300€ et 500 €. 

L’équation économique ne tient plus donc dès lors qu’il faut se déplacer pour intervenir sur un capteur alors que cela ne devait pas arriver !

Pour être rentables, la plupart des capteurs IoT doivent pouvoir fonctionner sur une période pouvant aller jusqu’à 10 ans

2- Augmenter la quantité de données

Optimiser la consommation énergétique d’un capteur en jouant sur certains paramètres peut permettre d’effectuer un relevé de mesures avec une périodicité plus importante.

3- Assurer un bon niveau de qualité de transmission

Certains protocoles ajustent la puissance d’émission en fonction de la qualité radio. Minimiser la consommation énergétique va permettre au produit de s’adapter à des variations de puissance tout en assurant la durée de vie attendue.

Il est donc important de faire « vivre » votre capteur IoT aussi longtemps que possible.

L’autonomie d’un capteur IoT est déterminée à l’aide d’un calcul simple : capacité de la batterie / taux de consommation moyen.

Il existe donc 2 façons d’optimiser la durée de vie de la batterie :

Réduire la quantité d’énergie utilisée 

par le capteur IoT

Augmenter la capacité 

de sa batterie

Pour y parvenir différents compromis sont nécessaires et doivent être mis en œuvre à la fois par le fabricant de capteurs IoT mais aussi par l’utilisateur de ces capteurs.

Côté fabricants – Quels sont les leviers pour réduire la consommation d’énergie d’un capteur IoT alimenté par une batterie ?

L’ajout d’une batterie stockant plus d’énergie est le moyen évident d’améliorer l’autonomie d’un capteur IoT. En fonction du type de capteur et de son usage, cette solution simple n’est pas forcément la meilleure car elle impacte fortement l’encombrement et le prix de revient du capteur. Un pack double pile Lithium 3.6V avec une capacité de 8.2 Ah a par exemple un coût d’achat de plusieurs euros ! L’impact environnemental et le bilan carbone sont d’autres facteurs à considérer lors du choix du type de batterie.

Quel que soit le type de batterie sélectionné, il est crucial pour un fabricant de mettre sur le marché un capteur qui consomme le moins d’énergie possible. De nombreux facteurs affectent cette consommation, voici une liste non exhaustive des décisions à prendre côté fabricants pour adresser la question de l’optimisation énergétique.

Sélectionner des composants embarqués économes en énergie

Le premier levier d’optimisation consiste à sélectionner des composants embarqués économes en énergie. 

Cette sélection doit se faire dans un premier temps sur la base d’une analyse des spécifications techniques de chaque composant. Mais, la consommation énergétique dépend surtout de la manière dont les composants sont utilisés. 

Il est donc crucial de mesurer le profil de puissance réel sur des prototypes pour déterminer le plus précisément possible la consommation d’un capteur IoT.

  • Selon la grandeur mesurée par un capteur embarqué (température, Co2, impulsion, …), l’énergie nécessaire pour effectuer la mesure peut avoir un impact significatif sur la consommation globale. Quels sont les capteurs embarqués disponibles sur le marché et quelles références présentent le meilleur compromis performances/consommation/prix/disponibilité ?
  • Comment faut-il utiliser ces capteurs embarqués (en continu avec des modes basse conso, en pulsé ?)
  • Quel(s) microcontrôleur(s) sélectionner ?
  • Faut-il intégrer des LEDs ?

Répartition de la consommation applicative d’un capteur COMFORT CO2 Adeunis dans sa configuration standard* :

automie-capteur-iot-comfort-reparition-consommation

*Configuration standard

  • Pile : pack double pile 8000 mAh
  • 24 trames / jour
  • 1 échantillonnage toutes les 10 min du CO2, de la température et de l’humidité
  • Fréquence d’allumage des LEDs en fonction du niveau de concentration en CO2 (rouge toutes les 2 min, orange toutes les 4 min et verte toutes les 10 min)
  • SF 12

Le logiciel au cœur de l’optimisation énergétique

Quelle que soit la consommation intrinsèque des composants embarqués – périphériques externes, microcontrôleur, ou encore module radio – si le logiciel qui les contrôle les utilise d’une manière non optimisée alors tous les efforts énergétiques au niveau matériel sont vains.

  • Quels sont les algorithmes à développer pour garantir les modes de fonctionnement les moins énergivores ?
  • Comment mettre en veille profonde les composants électroniques à l’intérieur du dispositif IoT le plus souvent possible ?

 

FOCUS SUR LES TECHNOLOGIES DE COMMUNICATION LPWAN

La technologie de communication utilisée par un capteur IoT est un autre facteur affectant sa consommation énergétique.

Les réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Network) se sont imposés comme le choix privilégié par les fabricants pour rendre communiquant des capteurs IoT alimentés par piles en raison de leur longue portée, de leur basse consommation et du faible coût de déploiement.

Nous pouvons classifier les implémentations LPWAN en deux grandes catégories : les réseaux LPWAN non-cellulaires et les LPWAN cellulaires

Bien que l’on dénombre actuellement une vingtaine de technologies LPWAN différentes dans le domaine de l’IoT, 4 d’entre elles sont particulièrement adaptées aux enjeux actuels et largement déployées : LoRa, Sigfox, LTE-M, et NB-IoT. Selon IoT Analytics, ces 4 technologies représentent plus de 92% du marché du LPWAN !

Le tableau ci-dessous résume les performances de ces 4 technologies en termes de portée, de consommation, de débit et de coût de déploiement :

autonomie-capteurs-iot-consommations

Impact du réseau LPWAN sur le % d’énergie batterie utilisée en 1 an pour un capteur COMFORT CO2 Adeunis dans sa configuration standard (pack double pile 8000 mAh)

energie-batterie-consommee-iot-capteurs-lora-sigfox

Consommation journalière (en mAh) :

Autonomie SIGFOX – 3 TRAMES (2 retry)

autonomie-sigfox-3trames-capteurs-iot-lpwan

Autonomie SIGFOX – 1 TRAME (0 retry)

autonomie-sigfox-3trames-capteurs-iot-lpwan
autonomie-sigfox-lora-capteurs-iot-lpwan

Autonomie LoRa –  SF12

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Concernant les technologies cellulaires, la GSMA a clarifié les différents éléments à prendre en considération au niveau du modem afin de faciliter la comparaison de capteurs concurrents. Pour évaluer la consommation d’un cycle il est ainsi nécessaire d’additionner les consommations des différentes phases de fonctionnement du modem comme présenté dans la figure ci-dessous.

autonomie-capteurs-iot-pile

Bien sûr en tant qu’acheteur de capteurs IoT, vous êtes dépendant des choix de conception pris par les fabricants. Cependant, ces choix techniques peuvent constituer des critères de comparaison à utiliser lors de votre processus d’achat.

Côté utilisateurs – Comment améliorer la durée de vie de la batterie de votre capteur IoT ?

Basique mais capital : commencez par choisir le bon réseau et le bon emplacement pour votre capteur IoT

N’oubliez pas que les conditions radio sur le site de déploiement peuvent entraîner une surconsommation d’énergie des capteurs IoT, réduisant ainsi leur durée de vie.

Pour réduire les risques, des experts peuvent vous accompagner pour réaliser une étude de connectivité sur vos sites et effectuer en conséquence des recommandations quant au choix des réseaux à utiliser pour l’installation de vos capteurs IoT.

Le positionnement du capteur IoT et plus particulièrement de son antenne a également un impact sur la consommation. L’emplacement idéal en fonction du type de capteur IoT est généralement indiqué dans le manuel d’utilisation fourni par le fabricant.

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Le Field Test Device est l’outil indispensable pour toute étude de couverture réseau.

Puis optimisez la connectivité de votre capteur

La fonction de communication sans fil est généralement la plus consommatrice d’énergie dans un capteur IoT. Il est toutefois possible d’améliorer facilement la durée de vie de la batterie d’un capteur en jouant sur les paramètres suivants :

  • Réduction de la périodicité d’envoi des données

Exemple : Autonomie Capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN, en SF12 :

radio-mapping

24 trames/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

6.8 ans

radio-mapping

12 trames/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

8.3 ans

  • Activation de l’ADR (Adaptive Data Rate) en LORA qui permet de modifier dynamiquement le temps d’envoi d’une trame en surveillant les paramètres de connexion et en modifiant le SF en fonction
  • Historisation des mesures avant transmission afin de ne réveiller les circuits de communication que lorsqu’ils disposent de suffisamment de données pour une transmission efficace
  • Limitation de la quantité de données envoyées dans chaque trame (uplink)

Exemple : Durée de vie du capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN avec envoi de 24 trames/jour :

SF

12

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

6.8 ans

SF

10

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

9.2 ans

SF

7

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

10.2 ans

  • Limitation de l’acquittement après envoi d’une trame (uplink)
  • Réduction du nombre de retry (Sigfox)
  • Optimisation de l’utilisation du FOTA et des downlinks

Exemple : Durée de vie du capteur COMFORT CO2 Adeunis Sigfox avec envoi de 24 trames/jour :

Durée de vie 3 trames (2 retries) :

uplinks-downlinks-radio-iot-capteur-lora-sigfox

1 downlink/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

3.6 ans

uplinks-downlinks-radio-iot-capteur-lora-sigfox

4 downlinks/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

2.9 ans

Durée de vie 1 trame (2 retries) :

uplinks-downlinks-radio-iot-capteur-lora-sigfox

1 downlink/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

5.9 ans

uplinks-downlinks-radio-iot-capteur-lora-sigfox

4 downlinks/jour

BATTERIE-PILE-AUTONOMIE-CAPTEURS-LPWAN-IOT

4.5 ans

  • Utilisation des fonctionnalités PSM (Power Saving Mode) et eDRX (Extended Discontinuous Reception)

Quelle que soit la technologie LPWAN utilisée, il est possible d’éteindre le module radio d’un dispositif IoT afin de limiter sa consommation. Cependant, le dispositif doit généralement effectuer une procédure d’attache au réseau lors du rallumage du module radio. Si chaque procédure d’attache consomme une petite quantité d’énergie, la consommation cumulée induite par les multiples procédures d’attache au cours de la vie du capteur peut impacter significativement son autonomie.

Pour répondre à cette problématique, les opérateurs de réseaux cellulaires NB-IoT et LTE-M ont développé la fonctionnalité PSM qui permet au capteur de se mettre en veille à intervalles fixes et de se réveiller seulement pour réaliser et transmettre une mesure sans avoir besoin de lancer une procédure d’attache au réseau. Le capteur et le réseau optimisent conjointement cet intervalle en fonction des contraintes applicatives.

fonctionnalite-psm-capteurs-iot-nb-iot-ltem

La réception discontinue eDRX fonctionne indépendamment du mode PSM et prolonge considérablement l’intervalle de temps pendant lequel un appareil IoT n’écoute pas le réseau.

  • Pour les capteurs IoT cellulaires, le choix de protocole de communication applicatif aura lui aussi un impact sur la consommation globale (MQTT, LWM2M, HTTPS,…). Dans une logique de réduction de la consommation de sa nouvelle gamme de capteurs NB-IoT et LTE-M, Adeunis a fait le choix d’intégrer le LWM2M. Découvrez dans cet article les avantages de ce protocole de communication applicatif.

N'oubliez pas de prêter attention aux paramètres applicatifs

  •  Optimisation de la fréquence d’échantillonnage de vos capteurs

Exemple : Capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN

Durée de vie de la batterie (pack piles 8000 mAh)

Consommation journalière totale

Fréquence d’échantillonnage pour mesures CO2 + Température + Humidité

10 min

1 min

6.8 ans

5 ans

2,902 mAh

3,919 mAh

  • Optimisation de l’utilisation des LEDs

Exemple : Capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN

Durée de vie de la batterie (8000 mAh)

Consommation journalière totale

Fréquence d’allumage des LEDs

Rouge 2 min, Orange 4 min, Vert 10 min

Rouge 1 min, Orange 1 min, Vert 5 min

OFF

6.8 ans

3.5 ans

6.9 ans

2,902 mAh

5.682 mAh

2.862 mAh

Pour aller plus loin : estimer l’autonomie de la batterie de votre capteur avec la calculatrice KARE

Consciente que l’autonomie énergétique d’un capteur IoT est un point critique pour garantir le RoI d’un déploiement, l’entreprise Adeunis met à disposition des utilisateurs du service Kare une calculatrice d’autonomie.

Cet outil, compatible avec l’ensemble du catalogue de capteurs Adeunis, vous permet d’estimer en 1 clic et en temps réel l’autonomie des capteurs que vous avez déployé.

La calculatrice vous permettra également d’expérimenter différentes approches en montrant l’impact d’un changement de paramètre tel que le nombre journalier de transmissions, le SF ou encore l’utilisation de LEDs.

20/06/20202

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