دستگاههای اینترنت اشیا (IoT) بیسیم، از ارکان اصلی انقلاب دیجیتال در صنایعی چون کشاورزی هوشمند، مدیریت دارایی، پایش محیط اتاق سرور و حملونقل هستند. این سنسورها اغلب در مناطق دور از دسترس، وسیع یا حتی غیرقابل دسترسی (داخل دیوار، بالای کوه یا در اقیانوس) قرارخواهندگرفت. هدف اصلی آنها، ارسال اطلاعات برای نظارت و مدیریت از راه دور است. در این مقاله به 5 راهکار ویژه برای افزایش عمر باتری iot میپردازیم.
بخوانید: تاریخچه اینترنت اشیا IoT
اما در این میان، یک چالش فنی و اقتصادی بزرگ خودنمایی میکند: تأمین انرژی. از آنجایی که دسترسی به برق ثابت در محیطهای کمدسترس اغلب غیرممکن است، این دستگاهها به باتری وابسته هستند. هزینه تعویض باتری در هزاران دستگاه، بهویژه در مناطق دورافتاده، میتواند کل صرفه اقتصادی یک پروژه را از بین ببرد. برای مثال تعویض فیزیکی باتری در دستگاههایی که در اعماق یک سازه یا وسط دریا قرار دارند، عملاً غیرممکن است.
بههمین دلیل، بهینهسازی مصرف انرژی و افزایش عمر باتری در دستگاههای IoT بیسیم، نه یک مزیت، بلکه یک ضرورت محسوب میشود. دستگاههای شما باید بهقدری کممصرف باشند که بتوانند برای سالها بدون نیاز به تعمیر و حضور در محل کار کنند. همچنین این دستگاهها باید با قابلیت شارژ خودکار باتری ارائه شود. دیتالاگر سپهر، دستگاهی جهت مدیریت دما و رطوبت محیطهای صنعتی و فناوری اطلاعات، دارای ویژگی شارژ خودکار درصورت قطع برق میباشد.
از آنجاکه شبکههای پرمصرف سلولار (مانند 4G و 5G) بهدلیل مصرف بالای انرژی و عدم پوششدهی در نقاط دوردست مناسب نمیباشند، تمرکز اصلی بر روی فناوری و پروتکلهای کمتوان گسترده (LPWAN) مانند LoRaWAN و بهخصوص ارتباطات ماهوارهای IoT است. در هر دوی این فناوریها، هرچه داده بیشتری ارسال کنید، انرژی بیشتری مصرف میشود.
بخوانید: پروتکلهای اینترنت اشیا IoT
در ادامه، ۵ راهکار ویژه برای مدیریت توان در پروژههای IoT بیسیم را بررسی میکنیم که عمر باتری دستگاههای شما را چندین برابر افزایش میدهند:
۱. ارسال حداقل میزان داده ممکن (Data Minimization)
یکی از سادهترین و مؤثرترین راهها برای صرفهجویی در انرژی، ارسال کمتر داده است. بزرگترین مصرفکننده انرژی در دستگاههای IoT بیسیم، ماژول رادیویی (Transceiver) در زمان انتقال داده است. برای مثال، یک دستگاه ماهوارهای در حالتیکه دادهای ارسال نمیکند (Sleep Mode) ممکن است فقط یکدهم (0.1) وات انرژی مصرف کرده؛ اما بهمحض ارسال داده، مصرف آن بهطور ناگهانی تا ۷ وات افزایش خواهدیافت! این افزایش ۷۰۰۰ درصدی نشان میدهد که هر لحظه انتقال، چقدر برای باتری شما گران تمام میشود.
راهکار عملی:
- فقط دادههای حیاتی را ارسال کنید: آیا واقعاً لازم است هر وضعیتی را ارسال کنید؟ یا تنها لازم است بدانید که دما از آستانه معینی فراتر رفته است؟
- از فشردهسازی (Compression) استفاده کنید و دادهها را قبل از ارسال فشرده کنید تا حجم بسته ارسالی کاهش یابد.
بخوانید: MIOTY چیست؟
۲. ارسال دادهها با فواصل زمانی طولانیتر (Scheduling Optimization)
همانطور که حجم داده مهم است، تعداد دفعات ارسال (Frequency) نیز اهمیت فوقالعادهای دارد. هر فرایند ارسال، نیاز به روشن شدن ماژول رادیویی، احراز هویت با شبکه، ارسال داده و دریافت تأییدیه دارد که همگی مصرف بالایی دارند.
مثالی در یک ردیاب GPS:
- گزارشدهی هر ۵ دقیقه یکبار: عمر باتری حدود ۱ هفته.
- گزارشدهی هر ۱ ساعت یکبار: عمر باتری تا ۳ هفته یا بیشتر.
- گزارشدهی روزی یکبار: عمر باتری میتواند تا ۶ ماه یا بیشتر افزایشیابد.
راهکار عملی:
- نیاز واقعی پروژه: آیا برای پایش سطح یک مخزن آب یا ردیابی یک کانتینر در یک مسیر لجستیک ۳ ماهه، ارسال هر ۵ دقیقه ضروری است؟ معمولاً ارسال روزانه یا حتی هفتگی کفایت میکند.
- تکنیک Heartbeat: یک پیام بسیار کوتاه (Heartbeat) برای اطمینان از زندهبودن دستگاه ارسال کنید و دادههای کامل را فقط در فواصل طولانیتر یا هنگام رویدادهای خاص بفرستید.
۳. پردازش دادهها در لبه (Edge Computing)
چگونه میتوان هم دادهی کمتر و هم در فواصل زمانی طولانیتر ارسال کرد؟ با پردازش دادهها در خود دستگاه (Edge Processing). بهجای اینکه سنسور دائماً داده خام (مانند ۱۵۰۰ قرائت دما در ساعت) را ارسال کند تا سرور مرکزی آنالیز کند، دستگاه را هوشمند میکنیم.
مزایای پردازش لبهای:
- فیلترکردن داده: دستگاه تنها زمانی داده ارسال میکند که شرایط تغییر کرده باشد (دما از ۳۰ درجه عبورکند یا لرزش غیرعادی تشخیص داده شود). به این رویکرد ارسال مبتنی بر رویداد (Event-Driven) گفته میشود.
- تجمیع: دستگاه میتواند میانگین یا حداکثر دمای یک روز کامل را محاسبه کرده و فقط یک عدد را ارسال کند، نه هزاران نقطه داده.
- تشخیص خطا: با پردازش ساده، دادههای نادرست، قرائتهای خارج از محدوده را شناسایی و از ارسال آنها جلوگیری میکند. این روش، نهتنها مصرف باتری را کاهش میدهد، بلکه پهنای باند شبکه را نیز آزاد کرده و تأخیر در واکنش به شرایط حیاتی را کم میکند.
۴. استفاده از پروتکلهای مبتنی بر پیام (Message-Based Protocols)
اگر در استفاده از دکلهای مخابراتی در ارسال دادههای اینترنت اشیا تجربه داشته باشید، ممکن است به استفاده از پروتکلهای مبتنی بر اینترنت مانند TCP/IP عادت داشته باشید. اما در ارتباطات کمتوان دوربرد و بهخصوص ماهوارهای، TCP/IP بسیار ناکارآمد است.
مشکل TCP/IP در IoT بیسیم:
TCP/IP ماهیتی انرژیبر داشته زیرا حتی در حالت آماده بهکار، برای حفظ اتصال، ادامه HandShake و بررسی شبکه (Keep-Alive)، انرژی مصرف میکند. برای ارسال هر بسته کوچک داده (که در IoT ماهوارهای معمولاً فقط چند بایت است)، TCP/IP نیاز به تبادل چندین پیام کنترلی (مانند SYN، ACK، FIN) دارد. بخش بزرگی از انرژی و پهنای باند صرف مدیریت ارتباط میشود نه انتقال داده اصلی.
راهکار: پروتکلهای پیاممحور
این پروتکلها بهجای ایجاد یک اتصال دائم، مانند ارسال پیامک (SMS) عمل میکنند؛ پیام فشرده، یکطرفه و کوتاه در صورت نیاز ارسال میشود و دستگاه فوراً به حالت خواب (Sleep Mode) باز میگردد.
نمونههایی از این پروتکلهای بهینه در ارتباطات ماهوارهای عبارتاند از:
- Iridium Short Burst Data (SBD)
- Iridium Messaging Transport (IMT)
- Inmarsat IsatData Pro
این پروتکلها برای انتقال دادههای کمحجم، سریع و بهینه طراحی شدهاند و مصرف انرژی را به حداقل میرسانند. حتی در شبکههای سلولی IoT نیز، استفاده از پروتکلهایی مانند NIDD (Non-IP Data Delivery) دقیقاً با همین منطق، دادهها را بدون سربار IP منتقل میکند.
۵. استفاده از انرژی خورشیدی و انرژی محیطی (Energy Harvesting)
پنلهای خورشیدی یا سایر روشهای برداشت انرژی (مانند ترموالکتریک، لرزشی و…) نمیتوانند جایگزین باتریهای طولانیمدت باشند، اما بسیار موثر هستند. هدف پنل خورشیدی، تأمین کامل برق نیست، بلکه شارژ قطرهای (Trickle Charging) باتری در طول روز است. این کار میتواند عمر باتری را دو تا سه برابر افزایش دهد.
در دستگاههایی که بخش زیادی از زمان خود را در حالت عادی یا Sleep Mode میگذرانند، انرژی خورشیدی میتواند نیازهای اساسی ماژولها و حسگرها را تأمین کند و باتری را برای ارسال داده یا طول شب حفظ کند. برخی از ترنسیورهای ماهوارهای در صورت بهینهسازی دقیق زمانبندی، میتوانند تا ۱۰ سال با انرژی خورشیدی کار کنند و پس از آن، باتری پشتیبان برای ۵ سال دیگر فعال بماند.
نتیجهگیری: راهکار جامع برای پایداری افزایش عمر باتری IoT
برای دستیابی به حداکثر عمر باتری در اینترنت اشیا IoT، شما نیازمند یک رویکرد جامع هستید که ترکیبی از سختافزار کممصرف و نرمافزار هوشمند باشد. بهدنبال ماژولهای رادیویی با مصرف توان بسیار پایین در حالت دریافت (Receive) و مجهز به تکنیکهای مدیریت توان پیشرفته مانند PWM (مدولاسیون پهنای پالس) باشید. این تکنیک عملکردی شبیه به کمنور کردن چراغ دارد و توان را بر اساس نیاز لحظهای تنظیم میکند.
اما مهمترین بخش، پیادهسازی استراتژیهای نرمافزاری است:
- پردازش لبهای (Edge Processing) برای فیلتر و تجمیع دادهها.
- بهینهسازی زمانبندی (Scheduling) برای ارسال کمترین داده در طولانیترین فواصل زمانی ممکن.
- استفاده از پروتکلهای پیاممحور برای کاهش سربار ارتباطی.
- تأمین انرژی ترکیبی: استفاده از تجهیزات تولید انرژیهای تجدیدپذیر مثل پنل خورشیدی در کنار باتریهای با طول عمر بالا.
وقتی نگهداری فیزیکی دستگاهها غیرممکن است، بهینهسازی ارسال دادهها و مدیریت توان، کلید موفقیت و تضمین اقتصادی کل پروژه اینترنت اشیا دوربرد شماست.
