{"id":1990,"date":"2020-04-23T09:50:25","date_gmt":"2020-04-23T09:50:25","guid":{"rendered":"https:\/\/www.linemetrics.dev\/de\/?post_type=blog&#038;p=1990"},"modified":"2023-11-29T12:40:54","modified_gmt":"2023-11-29T11:40:54","slug":"bis-zu-10-jahre-batterielaufzeit-bei-lora-sensoren-so-schaut-es-in-der-praxis-aus","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.linemetrics.dev\/de\/bis-zu-10-jahre-batterielaufzeit-bei-lora-sensoren-so-schaut-es-in-der-praxis-aus\/","title":{"rendered":"Bis zu 10 Jahre Batterielaufzeit bei LoRa-Sensoren? So schaut es in der Praxis aus!"},"content":{"rendered":"\n<p><strong>Zur Erfassung von Daten, beispielsweise von Maschinen oder Geb\u00e4uden, sind Sensoren notwendig. Das hei\u00dft vielfach: jede Menge Kabel verlegen, sowohl f\u00fcr Strom als auch f\u00fcr die \u00dcbertragung der Daten. Je nach Standort des Sensors ist dies jedoch aufw\u00e4ndig oder schlicht unm\u00f6glich. <\/strong><strong>Wer Durchbr\u00fcche in W\u00e4nden, Kabelsalat und Verteilerstationen vermeiden m\u00f6chte wird, wenn m\u00f6glich, auf Funksensoren zur\u00fcckgreifen. Besonders LoRa-basierte Sensoren haben aufgrund ihrer langen Batterielaufzeit, hohen Reichweite und Durchdringung in Geb\u00e4uden gro\u00dfe Vorteile. Sie werden einfach an der ben\u00f6tigten Stelle montiert und schon werden \u2013 zumindest auf Basis der LineMetrics Plattform \u2013 die gew\u00fcnschten Werte \u00fcbertragen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n<p>Qualitativ hochwertige und getestete Sensoren sind \u00e4u\u00dferst wartungsarm. Lediglich die Batterie muss am Ende ihrer Laufzeit getauscht werden bzw. bei Modellen mit fix eingebauter Batterie der gesamte Sensor.<\/p>\n\n\n\n<p>Sensorhersteller geben auf ihren Websites und in Datenbl\u00e4ttern 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.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Diese Faktoren beeinflussen die Batterielaufzeit:<\/h2>\n\n\n\n<p>Der technologische Fortschritt erm\u00f6glicht immer l\u00e4ngere Batterielaufzeiten. Aber nur einmal wechseln alle 10 Jahre? Ist dieses oft kommunizierte Versprechen vieler Sensorhersteller realistisch?<\/p>\n\n\n\n<p>Wie lange ein Sensor ohne Batteriewechsel tats\u00e4chlich durchh\u00e4lt, h\u00e4ngt dabei von drei grundlegenden Faktoren ab:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Kapazit\u00e4t der Batterie<\/li>\n\n\n\n<li>Stromverbrauch f\u00fcr die Erfassung der Messwerte<\/li>\n\n\n\n<li>Stromverbrauch f\u00fcr die \u00dcbermittlung der Messwerte<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Um eine m\u00f6glichst lange Batterielebensdauer zu erzielen sollten alle drei Parameter optimiert sein. Ist das nicht der Fall, sind zum Teil dramatisch niedrigere Batterielaufzeiten zu erwarten.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\" id=\"1\">Selbstentladung und Batterielaufzeit<\/h2>\n\n\n\n<p>Wird die Laufzeit ohne Batteriewechsel eines Sensors \u00fcber mehrere Jahre angestrebt, muss die verwendete Batterie einige Voraussetzungen erf\u00fcllen.<\/p>\n\n\n\n<p>Eine handels\u00fcbliche Alkali-Mangan-Batterie hat eine Selbstentladung von rund 6% j\u00e4hrlich. Das bedeutet, dass diese nach 5 Jahren Lagerung (ohne Stromentnahme) lediglich 73% der urspr\u00fcnglichen Energie enth\u00e4lt, nach 10 Jahren nur noch rund 50%. F\u00fcr den Langzeitbetrieb sind diese Batterietypen de fakto nicht geeignet.<\/p>\n\n\n\n<p>F\u00fcr professionelle Zwecke kommen daher meistens spezielle Lithium-Thionylchlorid-Batterien zum Einsatz. Hier bel\u00e4uft sich die Selbstentladung auf nur 1% j\u00e4hrlich. Nach 5 Jahren verf\u00fcgen sie also noch \u00fcber 95%, nach 10 Jahren immer noch \u00fcber satte 90% der urspr\u00fcnglichen Energie. &nbsp;Oft kommt diese Batterie in der bekannten Form einer AA-Batterie zum Einsatz &#8211; mit einer Gesamtkapazit\u00e4t von rund 2600mAh.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\" id=\"4\">Stromverbrauch f\u00fcr die Erfassung der Messwerte<\/h2>\n\n\n\n<p>Je nachdem welche Messwerte ein Sensor erfasst, beispielsweise Temperatur, Bewegung oder Luftqualit\u00e4t, werden unterschiedliche Messmethoden mit unterschiedlichem Stromverbrauch angewendet. Gerade in letzterem Fall, also CO2-Sensoren f\u00fcr die \u00dcberwachung der Luftqualit\u00e4t, ist der Energieverbrauch beispielsweise grunds\u00e4tzlich h\u00f6her als bei anderen Sensoren.<\/p>\n\n\n\n<p>Unabh\u00e4ngig vom Sensortyp gilt: Um energiesparende Sensoren zu erhalten, muss dies schon im Schaltungsdesign und der Firmware ber\u00fccksichtigt sein. Schaltungskomponenten sollten einen hohen Wirkungsgrad besitzen, aktive Bauelemente einen niedrigen Ruhestrom bzw. einen dezidierten \u201csleep-mode\u201d besitzen. Ist dies f\u00fcr ein Sensorelement nicht m\u00f6glich, sollte alternativ die M\u00f6glichkeit geschaffen werden, dieses von der Versorgung zu trennen.<\/p>\n\n\n\n<p>Die Firmware sollte zudem so aufgebaut sein, dass jede Komponente nur in der minimal notwendigen Zeit aktiv ist und anschlie\u00dfend wieder deaktiviert wird. Ein m\u00f6glichst kurzer Ablauf zwischen dem Aufwachen des Sensors bis zum Senden der Daten ist entscheidend. So kann das Energiesparpotential eines Sensors optimiert werden.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\" id=\"2\">Stromverbrauch f\u00fcr die Daten\u00fcbermittlung<\/h2>\n\n\n\n<p>Ein Gro\u00dfteil des Strombedarfs eines Sensors wird nicht f\u00fcr die Erfassung der Messwerte ben\u00f6tigt, sondern f\u00fcr das Senden von \u201cLoRa-Nachrichten\u201d. Abh\u00e4ngig von den definierten Parametern wird daf\u00fcr unterschiedlich viel Sendeleistung bzw. mehr oder weniger Sendezeit ben\u00f6tigt. Beides wirkt sich, summiert \u00fcber mehrere Jahre, signifikant auf die Batterielebensdauer aus.<\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\">Sendeleistung: Mit wie viel Power wird gesendet?<\/h4>\n\n\n\n<p>Der erste Parameter, die Sendeleistung, wirkt sich direkt proportional auf den Energieverbrauch aus. Je h\u00f6her die Sendeleistung, also mit je mehr &#8222;Power&#8220; die \u00dcbertragung stattfindet, je h\u00f6her ist die Reichweite des Signals aber auch der Verbrauch. Um weniger Leistung zu verbrauchen, und damit Batteriekapazit\u00e4t einzusparen, sollte diese so gering wie m\u00f6glich gehalten werden.<\/p>\n\n\n\n<p>Wie weit man die Sendeleistung tats\u00e4chlich verringern kann ist abh\u00e4ngig von der Entfernung des Sensors zum Gateway und von Hindernisse in der Funkstrecke.<\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\">Sendedauer: Wie lange dauert die \u00dcbertragung?<\/h4>\n\n\n\n<p>Den zweiten entscheidenden Parameter stellt die Sendedauer einer Nachricht dar, also wie lange der Sensor senden muss, um die Daten vollst\u00e4ndig zu \u00fcbermitteln. Je nach verwendeter Konfiguration (siehe blauer Kasten) dauert dies l\u00e4nger oder eben wesentlich k\u00fcrzer.<\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\">Hintergrund: \u00dcbertragungsgeschwindigkeit und Konfiguration<\/h4>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"alignleft\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.linemetrics.dev\/wp-content\/uploads\/2019\/06\/uebertragungsraten.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-13265\"\/><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>Die Sendedauer setzt sich aus dem &nbsp;Spreadingfactor (SF) und der Bandweite (BW) zusammen. Je nach SF und BW ergeben sich unterschiedliche Datenraten und somit die Dauer des Sendevorgangs.<\/p>\n\n\n\n<p><span style=\"font-weight: 400;\">Wie auf dieser Abbildung zu sehen, ist eine \u00dcbertragung mit SF7 und einer Bandweite von 125kHz ca. 22 mal schneller als eine Konfiguration mit SF12\/125kHz.<\/span><\/p>\n\n\n\n<p>Quelle: offizielle LoRaWAN Specification V1.0<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Warum wird nicht immer mit der schnellsten \u00dcbertragungsrate gesendet?<\/h3>\n\n\n\n<p>Die Wahl der \u00dcbertragungsrate h\u00e4ngt von der Entfernung und den Umgebungsbedingungen ab. Zudem ist der Gateway-Chip f\u00fcr den Empfang der Nachrichten je nach LoRa-Parametern unterschiedlich sensitiv. Je langsamer die \u00dcbertragungsrate ist, desto schw\u00e4cher darf das Signal sein, so dass es vom Endpunkt noch erkannt und erfasst werden kann.<\/p>\n\n\n\n<p>F\u00fcr weit entfernte oder abgeschattete Sensoren bedeutet dies, dass langsamer \u00fcbertragen werden muss und somit mehr Energie f\u00fcr den Sendevorgang verbraucht wird.<\/p>\n\n\n\n<p>Im Idealfall sollten also f\u00fcr jeden Sendevorgang die LoRa-Parameter angepasst werden. In der LoRaWAN-Spezifikation ist daf\u00fcr ein Feature namens <i>Adaptive Datarate (ADR)<\/i> implementiert. Damit werden die LoRaWAN-Parameter kontinuierlich automatisch angepasst. Ein Algorithmus berechnet aus den jeweils letzten 20 \u00dcbertragungen die idealen Parameter und erm\u00f6glicht so einen m\u00f6glichst energieeffizienten Sendevorgang.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Das Sendeintervall<\/h2>\n\n\n\n<p>Der beste Zustand eines Sensors, bezogen auf seine Batterielaufzeit, ist jener, in dem der Sensor schl\u00e4ft, nichts berechnet und nichts sendet. Darum sollte bei LoRa (und generell bei Low-Power-Anwendungen) genau darauf geachtet werden, wann und wie oft Daten \u00fcbertragen werden m\u00fcssen.<\/p>\n\n\n\n<p>Die Anzahl an Sendevorg\u00e4ngen wird zus\u00e4tzlich durch die ISM-Bestimmungen limitiert. Da LoRa in einem unlizenzierten Frequenzbereich sendet, unterliegt es gewissen Regeln. Der \u201cDuty-Cycle\u201d gibt die aktive Sendedauer, bezogen auf eine Stunde, an. F\u00fcr LoRa im 868MHz Bereich darf dieser max. 1% betragen. Das bedeutet, dass ein Sensor je Stunde f\u00fcr max. 36 Sekunden senden darf.<\/p>\n\n\n\n<p>Im Intenet sind diverse Rechner zu finden, mit denen die Sendezeit einer LoRa-Nachricht bestimmt werden kann.<\/p>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><b>Rechenbeispiel: Wie oft darf ich pro Stunde Daten \u00fcbermitteln?<\/b><\/h4>\n\n\n\n<p>Wir w\u00e4hlen beispielhaft folgende LoRa-Parameter f\u00fcr die \u00dcbertragung:<\/p>\n\n\n\n<p><strong>Bandweite (BW):<\/strong> 125kHz<br><strong>Spreadingfaktor (SF):<\/strong> 12 (geringste Datenrate)<br><strong>Sensordaten, die \u00fcbermittelt werden sollen:<\/strong> 100Byte<\/p>\n\n\n\n<p>Die \u00dcbertragung einer solchen Nachricht dauert (siehe <a href=\"https:\/\/www.loratools.nl\/#\/airtime\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">hier<\/a>) 3.94 Sekunden. Nach ISM-Bestimmungen darf somit alle 6 Minuten und 34 Sekunden eine Nachricht \u00fcbermittelt werden.<\/p>\n\n\n\n<p>Ist der Sensor nahe dem Gateway und kann mit SF7 (maximale Datenrate) senden, dauert der Sendevorgang nur 174 ms und es d\u00fcrfte alle 17 Sekunden ein Wert \u00fcbertragen werden.<\/p>\n\n\n\n<p>Wie im obigen Beispiel dargestellt, kann durch Verbesserung der Verbindungsqualit\u00e4t massiv an Energie eingespart werden. Die Batterie eines Sensors der mit SF7 statt SF12 senden kann, w\u00fcrde 20x l\u00e4nger halten. Die Entfernung und Umgebung eines Sensors wirkt sich also stark auf die Batterielaufzeit aus.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\" id=\"5\">Fazit:<\/h2>\n\n\n\n<p>Es ist theoretisch durchaus m\u00f6glich, eine Batterielebensdauer von 10 Jahren mit einem LoRaWAN-Sensor zu erreichen. Dies ist jedoch sehr stark von der Positionierung des Sensors abh\u00e4ngig, da mit gr\u00f6\u00dferer Entfernung oder mehr Hindernissen im Signalpfad die ben\u00f6tigte Sendeenergie stark ansteigt.<\/p>\n\n\n\n<p>Soll die Batterielaufzeit von LoRaWAN-Sensoren maximiert werden, k\u00f6nnen mehr Gateways als \u00fcblicherweise notwendig w\u00e4ren, betrieben werden. Dadurch wird die Entfernung zu den jeweiligen Sensoren verk\u00fcrzt und somit in manchen F\u00e4llen eine bis zu 20-fache Verbesserung m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n<p>In der Realit\u00e4t werden Sensoren nicht immer mit der maximalen \u00dcbertragungsrate senden k\u00f6nnen, Firmware-Updates \u00fcber LoRaWAN erhalten oder durch niedrige Temperaturen wird die Batterie st\u00e4rker belastet.<\/p>\n\n\n\n<p>Die von den Sensorenherstellern angegebenen Werte sind unter optimalen Bedingungen erreichbar. Die Realit\u00e4t sieht jedoch meist anders aus. Die tats\u00e4chliche Batterielaufzeit kann aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren nicht generell vorhergesagt werden. Um den Faktor 2 oder 3 k\u00fcrzere Laufzeiten sind &#8211; je nach Umgebungsbedingungen &#8211; nicht un\u00fcblich.<\/p>\n\n\n\n<p>Mehr Informationen zur den Vorteilen der LoRa-Technologie und Einsatzgebieten&nbsp; im Bereich IoT finden Sie unter <a href=\"https:\/\/www.linemetrics.dev\/de\/plattform\/lora-funktechnologie\/\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">LoRa Funk<\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Zur Erfassung von Daten, beispielsweise von Maschinen oder Geb\u00e4uden, sind Sensoren notwendig. Das hei\u00dft vielfach: jede Menge Kabel verlegen, sowohl f\u00fcr Strom als auch f\u00fcr die \u00dcbertragung der Daten. Je nach Standort des Sensors ist dies jedoch aufw\u00e4ndig oder schlicht unm\u00f6glich. 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