Batterielaufzeit bei LoRa-Sensoren: Was ist in der Praxis realistisch? Wovon hängt sie ab?

Zur Erfassung von Daten, beispielsweise von Maschinen oder Gebäuden, sind Sensoren notwendig. Das heißt vielfach: jede Menge Kabel verlegen, sowohl für Strom als auch für die Übertragung der Daten. Je nach Standort des Sensors ist dies jedoch aufwändig oder schlicht unmöglich. Wer Durchbrüche in Wänden, Kabelsalat und Verteilerstationen vermeiden möchte wird, wenn möglich, auf Funksensoren zurückgreifen. Besonders LoRa-basierte Sensoren haben aufgrund ihrer langen Batterielaufzeit, hohen Reichweite und Durchdringung in Gebäuden große Vorteile. Sie werden einfach an der benötigten Stelle montiert und schon werden – zumindest auf Basis der LineMetrics Plattform – die gewünschten Werte übertragen.

Qualitativ hochwertige und getestete Sensoren sind äußerst wartungsarm. Lediglich die Batterie muss am Ende ihrer Laufzeit getauscht werden bzw. bei Modellen mit fix eingebauter Batterie der gesamte Sensor.

Sensorhersteller geben auf ihren Websites und in Datenblättern vollmundige Versprechen ab: Batterielaufzeit von bis zu 5 Jahren, bis zu 7 Jahren oder gar bis zu 10 Jahren. Die Frage stellt sich, ob das realistisch ist und wenn ja, unter welchen Bedingungen. Genau diese Fragen beantworten wir im Folgenden.

Diese Faktoren beeinflussen die Batterielaufzeit:

Der technologische Fortschritt ermöglicht immer längere Batterielaufzeiten. Aber nur einmal wechseln alle 10 Jahre? Ist dieses oft kommunizierte Versprechen vieler Sensorhersteller realistisch?

Wie lange ein Sensor ohne Batteriewechsel tatsächlich durchhält, hängt dabei von drei grundlegenden Faktoren ab:

• Kapazität der Batterie
• Stromverbrauch für die Erfassung der Messwerte
• Stromverbrauch für die Übermittlung der Messwerte

Um eine möglichst lange Batterielebensdauer zu erzielen sollten alle drei Parameter optimiert sein. Ist das nicht der Fall, sind zum Teil dramatisch niedrigere Batterielaufzeiten zu erwarten.

Selbstentladung und Batterielaufzeit

Wird die Laufzeit ohne Batteriewechsel eines Sensors über mehrere Jahre angestrebt, muss die verwendete Batterie einige Voraussetzungen erfüllen.

Eine handelsübliche Alkali-Mangan-Batterie hat eine Selbstentladung von rund 6% jährlich. Das bedeutet, dass diese nach 5 Jahren Lagerung (ohne Stromentnahme) lediglich 73% der ursprünglichen Energie enthält, nach 10 Jahren nur noch rund 50%. Für den Langzeitbetrieb sind diese Batterietypen de fakto nicht geeignet.

Für professionelle Zwecke kommen daher meistens spezielle Lithium-Thionylchlorid-Batterien zum Einsatz. Hier beläuft sich die Selbstentladung auf nur 1% jährlich. Nach 5 Jahren verfügen sie also noch über 95%, nach 10 Jahren immer noch über satte 90% der ursprünglichen Energie.  Oft kommt diese Batterie in der bekannten Form einer AA-Batterie zum Einsatz – mit einer Gesamtkapazität von rund 2600mAh.

Stromverbrauch für die Erfassung der Messwerte

Je nachdem welche Messwerte ein Sensor erfasst, beispielsweise Temperatur, Bewegung oder Luftqualität, werden unterschiedliche Messmethoden mit unterschiedlichem Stromverbrauch angewendet. Gerade in letzterem Fall, also CO2-Sensoren für die Überwachung der Luftqualität, ist der Energieverbrauch beispielsweise grundsätzlich höher als bei anderen Sensoren.

Unabhängig vom Sensortyp gilt: Um energiesparende Sensoren zu erhalten, muss dies schon im Schaltungsdesign und der Firmware berücksichtigt sein. Schaltungskomponenten sollten einen hohen Wirkungsgrad besitzen, aktive Bauelemente einen niedrigen Ruhestrom bzw. einen dezidierten “sleep-mode” besitzen. Ist dies für ein Sensorelement nicht möglich, sollte alternativ die Möglichkeit geschaffen werden, dieses von der Versorgung zu trennen.

Die Firmware sollte zudem so aufgebaut sein, dass jede Komponente nur in der minimal notwendigen Zeit aktiv ist und anschließend wieder deaktiviert wird. Ein möglichst kurzer Ablauf zwischen dem Aufwachen des Sensors bis zum Senden der Daten ist entscheidend. So kann das Energiesparpotential eines Sensors optimiert werden.

Stromverbrauch für die Datenübermittlung

Ein Großteil des Strombedarfs eines Sensors wird nicht für die Erfassung der Messwerte benötigt, sondern für das Senden von “LoRa-Nachrichten”. Abhängig von den definierten Parametern wird dafür unterschiedlich viel Sendeleistung bzw. mehr oder weniger Sendezeit benötigt. Beides wirkt sich, summiert über mehrere Jahre, signifikant auf die Batterielebensdauer aus.

Sendeleistung: Mit wie viel Power wird gesendet?

Der erste Parameter, die Sendeleistung, wirkt sich direkt proportional auf den Energieverbrauch aus. Je höher die Sendeleistung, also mit je mehr „Power“ die Übertragung stattfindet, je höher ist die Reichweite des Signals aber auch der Verbrauch. Um weniger Leistung zu verbrauchen, und damit Batteriekapazität einzusparen, sollte diese so gering wie möglich gehalten werden.

Wie weit man die Sendeleistung tatsächlich verringern kann ist abhängig von der Entfernung des Sensors zum Gateway und von Hindernisse in der Funkstrecke.

Sendedauer: Wie lange dauert die Übertragung?

Den zweiten entscheidenden Parameter stellt die Sendedauer einer Nachricht dar, also wie lange der Sensor senden muss, um die Daten vollständig zu übermitteln. Je nach verwendeter Konfiguration (siehe blauer Kasten) dauert dies länger oder eben wesentlich kürzer.

Hintergrund: Übertragungsgeschwindigkeit und Konfiguration

Die Sendedauer setzt sich aus dem  Spreadingfactor (SF) und der Bandweite (BW) zusammen. Je nach SF und BW ergeben sich unterschiedliche Datenraten und somit die Dauer des Sendevorgangs.

Wie auf dieser Abbildung zu sehen, ist eine Übertragung mit SF7 und einer Bandweite von 125kHz ca. 22 mal schneller als eine Konfiguration mit SF12/125kHz.

Quelle: offizielle LoRaWAN Specification V1.0

Warum wird nicht immer mit der schnellsten Übertragungsrate gesendet?

Die Wahl der Übertragungsrate hängt von der Entfernung und den Umgebungsbedingungen ab. Zudem ist der Gateway-Chip für den Empfang der Nachrichten je nach LoRa-Parametern unterschiedlich sensitiv. Je langsamer die Übertragungsrate ist, desto schwächer darf das Signal sein, so dass es vom Endpunkt noch erkannt und erfasst werden kann.

Für weit entfernte oder abgeschattete Sensoren bedeutet dies, dass langsamer übertragen werden muss und somit mehr Energie für den Sendevorgang verbraucht wird.

Im Idealfall sollten also für jeden Sendevorgang die LoRa-Parameter angepasst werden. In der LoRaWAN-Spezifikation ist dafür ein Feature namens Adaptive Datarate (ADR) implementiert. Damit werden die LoRaWAN-Parameter kontinuierlich automatisch angepasst. Ein Algorithmus berechnet aus den jeweils letzten 20 Übertragungen die idealen Parameter und ermöglicht so einen möglichst energieeffizienten Sendevorgang.

Das Sendeintervall

Der beste Zustand eines Sensors, bezogen auf seine Batterielaufzeit, ist jener, in dem der Sensor schläft, nichts berechnet und nichts sendet. Darum sollte bei LoRa (und generell bei Low-Power-Anwendungen) genau darauf geachtet werden, wann und wie oft Daten übertragen werden müssen.

Die Anzahl an Sendevorgängen wird zusätzlich durch die ISM-Bestimmungen limitiert. Da LoRa in einem unlizenzierten Frequenzbereich sendet, unterliegt es gewissen Regeln. Der “Duty-Cycle” gibt die aktive Sendedauer, bezogen auf eine Stunde, an. Für LoRa im 868MHz Bereich darf dieser max. 1% betragen. Das bedeutet, dass ein Sensor je Stunde für max. 36 Sekunden senden darf.

Im Intenet sind diverse Rechner zu finden, mit denen die Sendezeit einer LoRa-Nachricht bestimmt werden kann.

Rechenbeispiel: Wie oft darf ich pro Stunde Daten übermitteln?

Wir wählen beispielhaft folgende LoRa-Parameter für die Übertragung:

Bandweite (BW): 125kHz
Spreadingfaktor (SF): 12 (geringste Datenrate)
Sensordaten, die übermittelt werden sollen: 100Byte

Die Übertragung einer solchen Nachricht dauert (siehe hier) 3.94 Sekunden. Nach ISM-Bestimmungen darf somit alle 6 Minuten und 34 Sekunden eine Nachricht übermittelt werden.

Ist der Sensor nahe dem Gateway und kann mit SF7 (maximale Datenrate) senden, dauert der Sendevorgang nur 174 ms und es dürfte alle 17 Sekunden ein Wert übertragen werden.

Wie im obigen Beispiel dargestellt, kann durch Verbesserung der Verbindungsqualität massiv an Energie eingespart werden. Die Batterie eines Sensors der mit SF7 statt SF12 senden kann, würde 20x länger halten. Die Entfernung und Umgebung eines Sensors wirkt sich also stark auf die Batterielaufzeit aus.

Fazit:

Es ist theoretisch durchaus möglich, eine Batterielebensdauer von 10 Jahren mit einem LoRaWAN-Sensor zu erreichen. Dies ist jedoch sehr stark von der Positionierung des Sensors abhängig, da mit größerer Entfernung oder mehr Hindernissen im Signalpfad die benötigte Sendeenergie stark ansteigt.

Soll die Batterielaufzeit von LoRaWAN-Sensoren maximiert werden, können mehr Gateways als üblicherweise notwendig wären, betrieben werden. Dadurch wird die Entfernung zu den jeweiligen Sensoren verkürzt und somit in manchen Fällen eine bis zu 20-fache Verbesserung möglich.

In der Realität werden Sensoren nicht immer mit der maximalen Übertragungsrate senden können, Firmware-Updates über LoRaWAN erhalten oder durch niedrige Temperaturen wird die Batterie stärker belastet.

Die von den Sensorenherstellern angegebenen Werte sind unter optimalen Bedingungen erreichbar. Die Realität sieht jedoch meist anders aus. Die tatsächliche Batterielaufzeit kann aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren nicht generell vorhergesagt werden. Um den Faktor 2 oder 3 kürzere Laufzeiten sind – je nach Umgebungsbedingungen – nicht unüblich.

Mehr Informationen zur den Vorteilen der LoRa-Technologie und Einsatzgebieten  im Bereich IoT finden Sie unter LoRa Funk.