Drahtlose Sensoren für das IoT Herausforderung Batterielaufzeit

Neues drahtloses Verfahren bei der Stromaufnahme von Sensoren.
Neues drahtloses Verfahren zur Messung der Stromaufnahme von Sensoren.

Die Stromaufnahme von Sensoren kann verringert werden, wenn längere Perioden niedriger Aktivität kurzen aktiven Perioden folgen. Die Batterielaufzeit ist dann jedoch schwer vorherzusagen, da auch komplexe Messaufbauten die Dynamik der Stromaufnahme nicht vollständig ­erfassen. Ein neues Verfahren soll das ändern.

Drahtlose Sensoren sind die ideale Lösung zur Erfassung von Umweltdaten oder Betriebsparametern von Industrieanlagen. Sie sind unproblematisch zu installieren und können an vielen Stellen eingesetzt werden. In wenigen Jahren werden solche Sensoren in großer Zahl im Rahmen des Internet der Dinge (IoT) verwendet werden. Momentan steht dem Einsatz solcher Sensoren noch entgegen, dass sie ihre Aufgabe nur eine begrenzte Zeit lang erledigen können. Wird ein drahtloser Sensor von einer Batterie gespeist, ist er nur noch Elektroschrott, wenn die Batterie leer ist.

Das wichtigste Kriterium bei der Konstruktion eines batteriebetriebenen, drahtlosen Sensors ist daher seine Stromaufnahme. Ziel ist, dass das Gerät mit einer Batterie eine vernünftige Zeitspanne läuft. Die Problem löst man üblicherweise so, dass man große Teile der Schaltung nur für die gewünschte Aktivität einschaltet und das Gerät danach in den Tiefschlaf versetzt.

Man kann die Tätigkeit eines drahtlosen Sensors in verschiedene Phasen untergliedern, von denen jede eine gewisse Zeit lang eine gewisse Stromaufnahme verursacht. Die wichtigsten Betriebszustände sind: Aufwachen, Messen und Daten zu einem Datentelegramm verdichten, Sender einschalten, Datentelegramm absetzen, Sender wieder ausschalten. Bei bidirektionalen Sensoren (die sowohl senden als auch empfangen): Aufwachen, Empfänger einschalten, Empfangen, Daten verarbeiten, passend auf die empfangenen Daten reagieren, wieder in den Tiefschlaf fallen. Es liegt nahe, dass die zeitliche Verteilung und Häufigkeit dieser Aktionen die Batterielaufzeit beeinflusst.

Der einfachste Weg zu längerer Batterielaufzeit ist eine Batterie mit höherer Kapazität. Das macht das Gerät allerdings räumlich größer – die Kunden hätten gern einen möglichst kleinen, aber leistungsfähigen Sensor (der viele Daten senden kann und eine Menge lokale Prozessorleistung hat). Diese Erwartung des Kunden ist somit diametral entgegengesetzt zur einfachsten Lösung des Batterielaufzeitproblems.

Wie bestimmt man die Batterielaufzeit?

Als Entwicklungsingenieur kommt man um einen Kompromiss zwischen Batteriegröße und Funktion eines drahtlosen Sensors nicht herum. Der Sensor soll aber auch mit einer möglichst kleinen Batterie und einem vernünftigen Batteriewechselintervall eine möglichst hohe Leistung aufweisen.

Will man die Stromaufnahme optimieren, muss man zunächst den Energiebedarf des Geräts verstehen. Daten über die Stromaufnahme zu sammeln ist der erste Schritt zur Charakterisierung der Geräteleistung. Eine Batterie speichert eine definierte Menge Energie, gemessen in Wattstunden (Wh). Kennt man den Energiebedarf des Gerätes, kann man daraus die Batterielaufzeit errechnen (Gleichung 1).

Die in einer Batterie gespeicherte Energie ist das Produkt ihrer Nennspannung (V) und ihrer Kapazität (Ah). Die Nennspannung ist ein mittlerer Spannungswert auf der Entladekurve der Batterie, der empirisch so ermittelt ist, dass man daraus korrekt die gespeicherte Energie einer Batterie bestimmen kann. Basierend auf dieser Überlegung kann man die Batterielaufzeit auch gemäß der Formel in Gleichung 2 bestimmen.

In der Wirklichkeit ergeben sich allerdings meist geringere Batterielaufzeiten als nach diesen Formeln errechnet. Meistens wird dann dazu gesagt: »Die Batterie war schlecht«. Große Batteriehersteller liefern detaillierte Datenblätter ihrer Produkte und erläutern, dass die Kapazität von Batterien eines bestimmten Typs gewöhnlich um 5 bis 10 % streut. Aber selbst wenn man konservative Annahmen über die Kapazität der Batterie anstellt, erweist sich die Batterielaufzeit in der Wirklichkeit dennoch meistens als kürzer. Das Gerät stellt seinen Dienst ein, bevor es das der Rechnung zufolge tun sollte. Warum ist das so? Stimmt die Berechnung der Stromaufnahme nicht? Vermutlich doch. Woran liegt es also dann? Das Problem verdient einen genaueren Blick.

Strommessungen mit hoher ­Dynamik sind nicht ganz einfach

In batteriebetriebenen Geräten wie drahtlosen Sensoren sind verschiedene Subsysteme aus Stromspargründen nur dann aktiv, wenn man sie braucht (Bild 1). Ein solches Gerät ist meist so konstruiert, dass es sich den Großteil der Zeit mit minimaler Stromaufnahme im Tiefschlaf befindet. In dieser Betriebsart läuft lediglich eine Uhr, die den Rest des Gerätes periodisch für eine Messung aufweckt. Die gesammelten Daten werden dann zu einem Empfänger gefunkt, danach wird der Großteil der Schaltung wieder schlafen gelegt.

Die Stromaufnahme unterscheidet sich in verschiedenen Betriebsphasen sehr stark (Tabelle), sie reicht von deutlich unter 1 µA bis 100 mA, das ist näherungsweise ein Verhältnis von 1:1.000.000. 

BetriebsmodusStromaufnahmeDauer
Senden20 mA – 100 mA1 ms – 100 ms
Messen 100 µA – 10 mA 10 ms – 100 ms
Schlafen 500 nA – 50 µA 100 ms – Minuten
Typische Stromaufnahme und zugehörige Zeiten