Energy optimization communication methods used in industrial application

Metodi di comunicazione per l’ottimizzazione dell’energia utilizzati in applicazioni industriali

Questo blog tratta i principali protocolli di comunicazione e il loro impatto sul consumo energetico.

When selecting a communication method for IIoT devices in industrial applications, several factors must be considered: maximum throughput, distance range, availability in the deployment zone, and energy consumption. Smart Manufacturing Communication Technologies are discussed in Section 3 of the whitepaper, "Smart Solutions for Energy Efficiency" (click here for more information).

IIoT applications contains groups of sensors that are connected to sensor nodes. The transmission time is determined by the distance between two nodes, the data rate, and the message size, all of which have an impact on energy optimisation. Indeed, the higher the data rate, the less amount of time needed to receive/transmit data, resulting in energy consumption reduction. Sensor nodes are generally battery-powered devices, whose lifetime is influenced by several factors, external from the battery technology, design, and manufacturing quality.

Adoption of a wireless connectivity solution would provide extremely low energy consumption for devices whilst retaining the ability to quickly transmit huge amounts of data over varying distances, with all of this to remain economically viable.

Fig 1: Tecnologia di connettività wireless

Tecnologie di comunicazione wireless utilizzate nelle applicazioni industriali:

Come illustrato nell’immagine seguente, la gamma di reti wireless per applicazioni industriali solitamente è classificata in tre classi: reti personali wireless (WPAN), reti locali wireless (WLAN) e reti geografiche wireless (WWAN).

Di solito le WPAN coprono un raggio d’azione di circa 100 m. Questi dispositivi, come BLE, ZigBee, NFC e Thread connection, hanno spesso una bassa energia di trasmissione radio e funzionano con piccole batterie. Per la maggior parte del tempo, questi dispositivi sono in modalità sleep. Quando si verifica un evento, il dispositivo si sveglia e invia un breve messaggio a un gateway, a un PC o a uno smartphone. Un tipico modulo BLE ha un consumo massimo/picco di 39 mA o meno, mentre il consumo medio è di circa 9 μA. Il consumo di energia attiva è un decimo di quello della tecnologia Bluetooth convenzionale. Nelle applicazioni a basso ciclo di utilizzo, una pila a bottone può garantire 5-10 anni di funzionamento affidabile.

Le reti WLAN solitamente coprono un raggio di 1000 m. Il Wi-Fi è lo standard più diffuso. 802.11 ax è una delle generazioni più recenti di Wi-Fi standard, chiamata anche Wi-Fi 6. Il Wi-Fi 6 offre velocità e capacità di trasmissione dati più elevate, fino a 9,6 Gbps, e opera sia nello spettro a 2,4 GHz che in quello a 5 GHz. Il Wi-Fi 6 introduce anche una nuova tecnologia che ottimizza i requisiti energetici del client finale. Il Target Wake Time (TWT) riduce i consumi consentendo al punto di accesso e al client di negoziare esattamente quando il ricevitore deve svegliarsi per ascoltare la trasmissione del mittente.

Le WWAN coprono solitamente un raggio d'azione fino a 100 km. La tecnologia cellulare (2G, 3G e 4G) è utilizzata per la connettività dei dispositivi remoti a lungo raggio. La tecnologia 5G, attualmente in fase di implementazione, promette una vasta larghezza di banda e una latenza estremamente bassa che potrebbero favorirne l’adozione. La connettività cellulare storicamente si è concentrata sulla portata e sulla larghezza di banda a scapito del consumo energetico. L'elevata quantità di dati prodotti dai dispositivi era difficile da elaborare rapidamente e il tempo che intercorreva tra l’invio dei dati da un dispositivo connesso e il loro ritorno allo stesso dispositivo - la latenza - era elevato. Tuttavia, le nuove tecnologie cellulari come il 5G trasmettono i dati circa 10 volte più velocemente del 4G, promettendo una latenza estremamente ridotta e un consumo energetico inferiore.

Le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) sono adatte alle esigenze specifiche della comunicazione machine-to-machine (M2M) e dei dispositivi IoT. La tecnologia offre un basso consumo energetico e una lunga portata (fino a 10-50 km nelle zone rurali e 1-10 km nelle zone urbane). La rete funziona all’interno di uno spettro con o senza licenza d’uso (NB-IoT e LTE-M nel primo caso oppure Sigfox e LoRa nel secondo).

LTE-M è ottimizzato per una maggiore larghezza di banda e per le connessioni mobili. Presenta una riduzione della larghezza di banda del dispositivo di 1,4 MHz sia in uplink che in downlink, una riduzione della potenza massima di trasmissione di 20 dBm, un miglioramento della copertura LTE corrispondente a 15 dB per FDD (Frequency Division Duplex) e un miglioramento del ciclo LTE DRX per consentire periodi di inattività più lunghi e di conseguenza ottimizzare la durata della batteria. NB-IoT offre connessioni dati a larghezza di banda ridotta, con una larghezza di banda del dispositivo di 200 kHz sia in uplink che in downlink. Offre inoltre un miglioramento di 20 dB nella copertura LTE.

Sia Sigfox sia LoRa sono protocolli di comunicazione asincroni. I dispositivi finali Sigfox e LoRa sono in modalità sleep per la maggior parte del tempo al di fuori del funzionamento, il che riduce la quantità di energia consumata. Sigfox e LoRa forniscono la classe C per gestire la bassa latenza bidirezionale a scapito di un maggiore consumo energetico.

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