در بسیاری از حوزه‌ها نیاز به نصب دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT به‌صورت گسترده و پراکنده، برقراری ارتباط از راه دور و مشاهده وضعیت لحظه‌ای دستگاه‌ها و سنسورها، یکی از اهداف اصلی پیاده‌سازی این شبکه به‌شمار می‌آید. حوزه‌هایی مانند کشاورزی هوشمند، ردیابی کالا در انبار، پایش خطوط لوله، نظارت بر اتاق سرور هنگام قطعی برق، دستگاه‌ها معمولاً در فاصله زیادی از هم قرار‌دارند و به برق شهری دسترسی ندارند. در چنین شرایطی، تجهیزات برای ادامه فعالیت خود نیازمند راهکارهای مختلف افزایش عمر باتری و در نهایت ایجاد باتری‌های قدرتمند و بادوام هستند. دوری از منابع تغذیه ثابت و قرار‌گرفتن در محیط‌های سخت، به‌طور مستقیم بر عمر باتری تاثیر می‌گذارد و طریقه صحیح مصرف انرژی را به یکی از چالش‌های اصلی در این پروژه‌ها تبدیل می‌کند.
وقتی به شبکه برق دسترسی ندارید، تنها گزینه‌ی تأمین انرژی، استفاده از باتری است. اما در چنین شرایطی، تعویض باتری نه‌تنها پرهزینه و زمان‌بر است، بلکه در برخی مواقع حتی امکان‌پذیر هم نیست. برای این‌که دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT شما از نظر اقتصادی و فنی قابل‌اجرا باشند، باید بسیار کم‌مصرف و بهینه طراحی شوند. این تجهیزات یا باید بتوانند از منابع انرژی محیطی (نور خورشید) تغذیه کنند یا با کاهش چشم‌گیر مصرف انرژی، مدت زمان بیشتری فعال‌بمانند. در ادامه، چند راهکار عملی برای افزایش طول عمر باتری این دستگاه‌ها معرفی می‌کنیم؛ فارغ از این‌که دستگاه‌ها چقدر از پایگاه‌داده مرکزی یا سرور اصلی شما فاصله داشته‌باشند.
5 راه برای مدیریت توان مصرفی دستگاه های الکترونیکی IoT
در شبکه‌های گسترده و پراکنده اینترنت اشیا (IoT)، مدیریت مصرف انرژی یکی از چالش‌های اصلی محسوب می‌شود؛ خصوصاً زمانی‌که دستگاه‌ها در فواصل دور از یکدیگر، خارج از پوشش برق شهری و دور از سرور مرکزی مستقر هستند. اگر دستگاه شما در یک مزرعه دورافتاده، روی دکل فشار قوی، یا در خط لوله‌ای زیرزمینی نصب شده باشد، هر درصد صرفه‌جویی در انرژی به‌معنای افزایش عمر باتری ، کاهش هزینه نگهداری و بهبود عملکرد شبکه است.
بخوانید: تفاوت شبکه عادی با شبکه اینترنت اشیا (IoT)
برای مثال، دستگاه‌های سامانه پایش محیطی سپهر و گیت‌وی‌های Modbus در صورت قطع برق به باتری‌های پشتیبان مجهز هستند. این دستگاه‌ها با بهره‌گیری از فناوری مداری کم‌مصرف (Low-Usage) به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که مصرف انرژی را به حداقل رسانده و موجب افزایش عمر باتری می‌شوند. با استفاده از این قابلیت، دستگاه‌ها قادرند حتی در زمان قطع برق نیز به‌صورت خودکار فعال بمانند و وظایفی مانند پایش محیط و ارسال هشدارهای لحظه‌ای را بدون وقفه انجام دهند. همچنین در حوزه کشاورزی هوشمند، سنسورهای پایش محیطی سپهر می‌توانند بدون وابستگی به برق شهری به فعالیت خود ادامه داده و اطلاعات حیاتی مانند دما، رطوبت و شرایط خاک را در اختیار کاربران قرار دهند؛ این ویژگی به افزایش بهره‌وری و جلوگیری از خسارات احتمالی کمک می‌کند.
در این مقاله به ۵ راهکار کلیدی برای افزایش عمر باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT را معرفی می‌کنیم:
پروتکل موردنیاز برای مدیریت توان مصرفی دستگاه های الکترونیکی اینترنت اشیا
مصرف انرژی در پروژه‌های اینترنت اشیا (IoT) ، به‌طور مستقیم با نوع فناوری ارتباطی مورد استفاده در دستگاه‌ها گره خورده است. به‌ویژه در مناطقی که پوشش مخابراتی ضعیف یا فاقد دکل‌های مخابرات (Cellular Networks) هستند، استفاده از فناوری‌های مرسوم مانند ارتباطات سلولی عملاً امکان‌پذیر نیست یا بسیار پرهزینه خواهد بود. در چنین شرایطی، باید به‌سراغ گزینه‌هایی رفت که در پوشش جغرافیایی گسترده عمل کنند و هم مصرف انرژی پایینی داشته باشد.
ارتباط ماهواره‌ای دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT
از آن‌جایی که در ارتباطات ماهواره‌ای، داده‌ها مستقیماً از دستگاه‌های اینترنت اشیا به ماهواره‌ها ارسال می‌شوند و سپس از طریق ایستگاه‌های زمینی به سرورهای مقصد منتقل می‌گردند، این نوع ارتباط از انتقال داده در فواصل بسیار طولانی پشتیبانی می‌کند. به‌همین دلیل، ارتباطات ماهواره‌ای معمولاً برای مناطقی که پوشش گسترده جغرافیایی یا دسترسی به زیرساخت‌های زمینی وجود ندارد مناسب هستند و می‌توانند حجم بیشتری از داده را نسبت به روش‌های دیگر منتقل کنند. با این‌حال، به‌دلیل محدودیت‌های قانونی، فنی و زیرساختی، استفاده از ارتباط ماهواره‌ای در ایران عملاً امکان‌پذیر نیست یا بسیار پرهزینه و پیچیده است.
در چنین شرایطی، دو فناوری LoRa و IR به‌عنوان گزینه‌های جایگزین و بسیار مؤثر مطرح می‌شوند.
بخوانید: پروتکل‌های اینترنت اشیا
لورا در دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT
یکی از این گزینه‌ها، شبکه‌های LPWAN (Low Power Wide Area Network) هستند که برای ارتباطات با نرخ داده پایین و فاصله زیاد طراحی شده‌اند. در این دسته، LoRa (Long Range) یکی از پراستفاده‌ترین فناوری‌ها محسوب می‌شود. لورا به‌دلیل مصرف انرژی فوق‌العاده پایین، توانایی ارسال داده در فواصل چند کیلومتری و هزینه پایین پیاده‌سازی، برای حوزه‌هایی مثل پایش محیط در اتاق سرورهای گسترده، کشاورزی هوشمند، ردیابی کالا در انبار و مدیریت منابع در مناطق روستایی بسیار مناسب است. این فناوری با ارسال داده‌ها در قالب بسته‌های کوچک، مصرف باتری دستگاه‌ها را به حداقل می‌رساند.
RF در دستگاه های الکترونیکی
فناوری ارتباطی RF یا امواج رادیویی، یکی از پایه‌ای‌ترین روش‌های انتقال داده در سیستم‌های اینترنت اشیا به‌ویژه در فواصل کوتاه تا متوسط است. این فناوری از باندهای فرکانسی رایج مانند 433 یا 915 مگاهرتز بهره می‌برد که در باند ISM قرار دارند و به مجوز خاصی نیاز ندارند. ساختار ساده و طراحی سبک این سیستم‌ها باعث شده مصرف انرژی آن‌ها بسیار پایین باشد، به‌طوری که می‌توان از آن‌ها در تجهیزاتی با باتری‌های کوچک و بدون نیاز به تعویض مکرر استفاده کرد.
در هر دو نوع اتصال محدودیت انرژی وجود دارد. به‌طور کلی، هرچه میزان داده‌ای که ارسال یا دریافت می‌کنید بیشتر باشد، مصرف انرژی نیز افزایش خواهد یافت.
1. تا حد امکان داده کمتری ارسال کنید
ارسال داده، بیشترین مصرف انرژی را در دستگاه‌های اینترنت اشیا IoT دارد. مثلاً یک دستگاه ممکن است در حالت آماده‌باش تنها ۰.۱ وات انرژی مصرف کند، اما هنگام ارسال داده، این مقدار به ۷ وات می‌رسد پس هرچه داده کمتری ارسال شود، عمر باتری بیشتر خواهد بود. برای این کار باید فقط اطلاعات حیاتی و ضروری را انتخاب و ارسال کنید و داده‌های غیرضروری را از چرخه حذف نمایید.
2. ارسال داده را کمتر و هوشمندانه‌تر انجام دهید
هر بار انتقال داده، یکی از پرمصرف‌ترین عملیات‌ها برای باتری دستگاه‌های اینترنت اشیاست. حتی اگر حجم اطلاعات کم باشد، ارسال مکرر باعث تخلیه سریع باتری می‌شود. فرض کنید یک دستگاه GPS هر ۵ دقیقه یک‌بار، گزارشی از موقعیت خود ارسال کند؛ احتمالاً باتری آن تنها یک هفته دوام می‌آورد. حالا اگر همین ارسال را به هر یک ساعت کاهش دهید، عمر باتری به چند هفته می‌رسد و در صورت ارسال روزانه، حتی تا شش ماه هم نیازی به تعویض یا شارژ نیست. به همین دلیل، تنظیم فواصل زمانی ارسال اطلاعات، یکی از موثرترین راهکارها برای افزایش دوام باتری در پروژه‌های اینترنت اشیای دوربرد است.
۳. تحلیل داده در لبه (Edge Processing)
برای کاهش حجم و دفعات ارسال داده در پروژه‌های IoT، یکی از مؤثرترین راهکارها استفاده از پردازش در لبه (Edge Computing) است. در این روش، داده‌ها بلافاصله پس از تولید، مستقیماً روی خود دستگاه یا در نزدیک‌ترین نود پردازشی تحلیل می‌شوند، پیش از آن‌که به شبکه یا سرور مرکزی ارسال شوند.
با این کار دستگاه فقط در شرایط خاص و بر اساس الگوهای تعریف‌شده یا استثناءها (report-by-exception) اقدام به ارسال داده می‌کند. مثلاً در یک سیستم پایش وضعیت محیطی، به‌جای ارسال مداوم داده‌های عادی، فقط زمانی‌که یک پارامتر از حد مجاز فراتر می‌رود (مثلاً دما، رطوبت یا لرزش)، گزارش برای سرور مرکزی ارسال می‌شود. با این روش از ارسال‌های مکرر و بی‌فایده (مثلاً پیام «وضعیت نرمال است») جلوگیری کرده و مصرف باتری را به‌طور قابل توجهی می‌توان کاهش داد.
4. از پروتکل‌های مبتنی بر پیام استفاده کنید
در پروژه‌های اینترنت اشیای دوربرد، استفاده از پروتکل‌های سنگین و پرمصرفی مثل TCP/IP معمولاً مناسب نیست. این پروتکل دائماً فعال است و برای ارسال یک پیام ساده، نیاز به چندین مرحله احراز هویت و برقراری ارتباط دارد که مصرف باتری را به‌شدت افزایش می‌دهد. در مقابل، پروتکل‌های سبک و پیام‌محور مثل NIDD در شبکه‌های سلولی یا SBD و IMT در ارتباطات ماهواره‌ای، با مصرف انرژی کمتر، پیام‌ها را مانند SMS منتقل می‌کنند. این پروتکل‌ها برای انتقال داده‌های کوچک و ضروری طراحی شده‌اند و به‌دلیل مصرف پایین، گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های IoT با منبع تغذیه محدود هستند.
5. برداشت انرژی از محیط
پنل‌های خورشیدی به‌تنهایی نمی‌توانند جایگزین کامل باتری‌ها شوند، چون به نور مستقیم خورشید وابسته‌اند و معمولاً به فضای زیادی نیاز دارند. با این حال، در پروژه‌های دوربرد، استفاده از انرژی خورشیدی به‌عنوان منبع کمکی می‌تواند به‌طور چشم‌گیری عمر باتری را افزایش دهد. وقتی پنل‌ها در کنار باتری و با زمان‌بندی بهینه برای ارسال داده به‌کار گرفته شوند، دستگاه می‌تواند تا چند سال بدون نیاز به تعویض یا شارژ مجدد به کار خود ادامه دهد.
6. افزایش عمر باتری
در پروژه‌های نصب پراکنده دستگاه‌های اینترنت اشیا ، طراحی یک راهکار دقیق برای افزایش عمر باتری از همان ابتدا ضروری است. در وهله اول، باید از سخت‌افزارهایی استفاده شود که در حالت دریافت (Receive Mode) مصرف بسیار پایینی مثلاً کمتر از ۰.۲۵ وات دارند. همچنین وجود قابلیت‌هایی مثل کلید روشن/خاموش با تکنولوژی PWM (مدولاسیون پهنای پالس) کمک می‌کند تا مصرف انرژی به‌صورت هوشمند کنترل شود.
نتیجه‌گیری
حتی اگر سخت‌افزار بسیار کم‌مصرف باشد، بدون برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی دقیق در ارسال داده، باتری به‌سرعت تخلیه خواهد شد. در پروژه‌هایی که دسترسی به دستگاه‌ها دشوار است، مدیریت هوشمند داده و کاهش مصرف انرژی، عامل کلیدی موفقیت و ماندگاری سیستم خواهد بود.
