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 :
Une exigence commune à tous ces capteurs connectés : minimiser la consommation d’énergie car ils sont dans la plupart des cas alimentés par des piles.
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
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.
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 mais aussi par l’utilisateur de ces capteurs.
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.
Répartition de la consommation applicative d’un capteur COMFORT CO2 Adeunis dans sa configuration standard* :
*Configuration standard
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.
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 :
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)
Consommation journalière (en mAh) :
Autonomie SIGFOX – 3 TRAMES (2 retry)
Autonomie SIGFOX – 1 TRAME (0 retry)
Autonomie LoRa – SF12
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.
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.
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.
Le Field Test Device est l’outil indispensable pour toute étude de couverture réseau.
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 :
Exemple : Autonomie Capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN, en SF12 :
24 trames/jour
6.8 ans
12 trames/jour
8.3 ans
Exemple : Durée de vie du capteur COMFORT CO2 Adeunis LoRaWAN avec envoi de 24 trames/jour :
SF
12
6.8 ans
SF
10
9.2 ans
SF
7
10.2 ans
Exemple : Durée de vie du capteur COMFORT CO2 Adeunis Sigfox avec envoi de 24 trames/jour :
Durée de vie 3 trames (2 retries) :
1 downlink/jour
3.6 ans
4 downlinks/jour
2.9 ans
Durée de vie 1 trame (2 retries) :
1 downlink/jour
5.9 ans
4 downlinks/jour
4.5 ans
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.
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.
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
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
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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