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Come gestire i beacon e le condizioni atmosferiche

Quando si progetta un lavoro coi beacon, sono molti i parametri da prendere in considerazione per ottenere il massimo. Dopo aver analizzato le problematiche relative alla batteria, questa volta ci siamo concentrati su quanto le condizioni atmosferiche possano incidere sulla vita del beacon.

Ne abbiamo parlato insieme ad Alessio Cucini, ingegnere e fondatore della BlueUp, azienda senese produttrice di beacon.

 

1) Prima di progettare un beacon, bisognerebbe tener conto del luogo dove essi vengono installati. Quali sono le condizioni ideali per l’operatività dei beacon, e quali invece le peggiori?

Sicuramente l’ambiente di installazione del beacon, come per un qualsiasi altro dispositivo elettronico, deve essere preso in considerazione dal progettista/produttore del beacon oppure dall’installatore che deve scegliere fra i molti prodotti che può trovare sul mercato. Non sempre questi aspetti sono sufficientemente approfonditi: questo può succedere, ad esempio, quando chi progetta l’infrastruttura beacon è una azienda di sviluppo software che spesso non ha internamente le competenze necessarie per affrontare problematiche più strettamente correlate all’hardware.

Chiaramente, ci sono condizioni ambientali “standard” che non richiedono particolari attenzioni o precauzioni: ad esempio, nel gran parte delle installazioni indoor in ambienti frequentati da persone (ad esempio, musei, centri commerciali, …), dove la temperatura ed altri parametri ambientali sono controllati.

Al contrario, esistono condizioni ambientali “estreme” che richiedono precauzioni particolari: ad esempio nel caso di ambienti con livelli di temperatura molto bassi o alti oppure valori di umidità elevati, nel caso di forti escursioni termiche (ad esempio, beacon installati all’aperto, soggetti alle variazioni ambientali giorno/notte e estate/inverno) o di esposizione a fattori atmosferici (pioggia, neve, irraggiamento solare, …), oppure in presenza di sollecitazioni meccaniche (ad esempio vibrazioni nel caso di beacon installati su mezzi in movimento).

Per rispondere a queste diverse casistiche di installazione, in BlueUp abbiamo sviluppato una serie di beacon con più versioni: dal BlueBeacon Mini, il classico beacon compatto general-purpose, al Maxi, con batterie alcaline standard per applicazioni fisse indoor, fino al modello Forte, che offriamo in due diverse versioni di batteria (al litio primario, entrambe a range di temperatura esteso), ideato per le applicazioni “estreme”: outdoor, industriali, ecc.

2) Quali componenti di un beacon soffrono maggiormente le condizioni climatiche avverse?

Sicuramente la batteria è l’elemento più critico di un beacon, rispetto all’operatività in condizioni non ideali. Le batterie sono caratterizzate in termini di capacità nominale (ovvero la quantità di corrente totale che sono in grado di erogare nell’intervallo di tensione operativo, espressa in Ah o mAh), calcolata alla temperatura ambiente di 25°C. Se le batterie vanno ad operare a temperatura molto più basse, la capacità si riduce, e quindi la durata. Ad esempio una batteria alcalina che opera a -10°C, riduce la propria capacità del 50% (questo significa che la vita operativa sarà la metà di quella nominale attesa). Inoltre, la capacità delle batterie degrada anche quando sono soggette a forti escursioni termiche, tipo quelle che si possono avere in caso di funzionamento all’aperto.

Ancora più forte è l’impatto della temperatura per gli accumulatori di energia come batterie ricaricabili o supercap: in questi casi, approssimativamente, ogni 10 gradi di aumento della temperatura si ha un dimezzamento della vita operativa.

Anche gli elementi attivi del beacon (cristalli, transceiver) possono avere parametri che variano in funzione della temperatura (tipicamente tutti i componenti elettronici hanno un range di temperature operativo). Per le applicazioni a temperature estreme, è necessario che gli elementi attivi siano caratterizzati per operare secondo specifica su tutto il range operativo.

3) Possono le condizioni climatiche incidere sulla qualità del segnale radio di un beacon?

Tenendo conto che il beacon opera tipicamente a breve raggio (qualche metro o poche decine di metri), l’impatto di condizioni climatiche avverse (ad esempio un forte temporale in caso di installazione in esterno) si può assumere trascurabile, e si manifesta con un valore di attenuazione del segnale leggermente superiore. E’ però importante che il beacon sia progettato, anche a livello meccanico, per operare in queste condizioni, adottando ad esempio contenitori con un grado di protezione adeguato.

4) Quali consigli dareste per proteggere i propri beacon a chi li ha già acquistati? E quali dareste, invece, a chiunque debba realizzare un nuovo progetto coi beacon?

Una premessa è d’obbligo: non è sufficiente inserire il beacon in un contenitore IP65 piuttosto che IP67 (IP sta per International Protection e identifica il livello di protezione da polveri e acqua) per poter affermare che sia adatto ad operare in esterno. Ad esempio, se le batterie hanno un intervallo di temperatura limitato, la durata operativa del beacon in esterno, essendo soggetto a forti escursioni termiche, sarà di gran lunga inferiore a quella attesa. Quindi usando un contenitore con livello di protezione adeguato (IP65 o superiore) ci assicuriamo che il dispositivo sia protetto da precipitazioni o altri fattori ambientali, ma non abbiamo nessuna garanzia rispetto alla vita operativa del beacon.

Se state partendo con lo sviluppo di un nuovo progetto che coinvolge beacon installati in esterno o comunque in ambiente “difficile”, gli aspetti da tenere in considerazione nella scelta del modello sono: 1) livello di protezione del contenitore (consigliato IP65 o superiore), 2) tipo e capacità della batteria: la batteria deve avere un range di temperatura operativo ampio e una capacità nominale che garantisca una durata stimata sufficientemente marginata rispetto a quella minima richiesta, e 3) sostituibilità della batteria: nel caso di installazioni in esterno, non essendo predicibile l’andamento della temperatura e delle condizioni ambientali in generale, risulta difficile anche prevedere la durata operativa effettiva della batteria. Risulta quindi fondamentale poterla sostituire quando è quasi scarica, senza necessariamente sostituire l’intero apparato. Per questo è importante poterne monitorare lo stato. I BlueBeacon prodotti da BlueUp, ad esempio, consentono il monitoraggio del livello della batteria sia nella versione iBeacon che Eddystone (quest’ultima specifica supporta a livello nativo il formato TLM, per funzionalità di telemetria) senza necessità di connessione al beacon.

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Come gestire le batterie dei beacon

La gestione della batteria è uno degli aspetti più importanti da valutare in ogni progetto che coinvolga l’uso dei beacon. Ormai i primi progetti pilota hanno superato il primo anno di vita e si stanno avvicinando al momento della prima (costosa) sostituzione di massa delle batterie; inoltre chiunque stia progettando un lavoro sui beacon, dovrebbe porsi qualche domanda sulla loro manutenzione, in quanto può essere un momento critico per qualsiasi lavoro.

Noi di Beaconitaly abbiamo contattato Valter Foresto di iBlio, azienda torinese produttrice di beacon, per parlare proprio di questo argomento fondamentale.

Quali sono le problematiche che possono subire le batterie di un beacon?

Le problematice sono principalmente 4: l’influnza della temperature, l’autoscarica, le questioni tecniche (reperibilità, costo, ingombro, prestazioni), l’impatto ambientale e il loro smaltimento.

Per quanto riguarda il primo punto, la capacità delle batterie tipicamente decresce al diminuire della temperatura operativa ed il range di temperatura operativo va da -40 a +85 °C per le batterie “coin battery” tipicamente usate nei dispositivi BLE come i beacons.

Sull’autoscarica, bisogna considerare che le batterie subiscono nel tempo una perdita della propria capacità, ma questo parametro è da considerarsi importante solo per lunghi periodo di stoccaggio in cui queste non sono operative. Questo parametro ha scarsa influenza quando queste sono operative in quanto il consumo medio operativo è tipicamente ben maggiore di quello dovuto all’autoscarica.

La reperibilità commerciale delle batterie è un parametro da considerare attentamente. Molto importanti sono le prestazioni in termini di “capacità”, intesa come quantità di corrente fornibile nel tempo ed espressa quindi in ampere-ora (Ah o suoi millesimi mAh), l’ingombro che influenza le dimensioni finali del prodotto ed i costi che sono legati essenzialmente ai tre parametri appena descritti.

Le capacità tipiche delle batterie usate nei dispositivi BLE come i Beacons sono le seguenti :

  • Batterie tipo “coin cells” CR2032 220mAh, CR2450 500mAh, CR2477 1000mAh
  • Batterie tipo “AA” da 1.5V usate in coppia da 2000mAh, da 3V al Litio da 3000mAhInfine, l’ impatto ambientale e lo smaltimento delle batterie sono un problema di portata planetaria.

Cosa consigliate, a chi possiede già dei beacon, per garantire la funzionalità della batteria il più a lungo possibile.

Sono quattro i consigli da fornire:

1) Usare un periodo di advertisement il più lungo possibile compatibilmente con la responsività desiderata dell’azione associata alla rilevazione del beacon.

2) Impostare la potenza RF emessa dal dispositivo BLE in funzione dell’ effettivo raggio massimo richiesto dalla propria applicazione (qui un riferimento)

3) Il numero di bytes trasmessi in un pacchetto BLE dipende dal tipo di advertisement (iBeacon, Eddystone-UID, Eddystone-URL, Eddystone-TLM, Sensori/Attuatori, Sicurezza, ecc) ed influenza direttamente il consumo di energia, maggiori informazioni trasmesse portano ovviamente a maggiori consumi.

4) Il pacchetto di advertisement è tipicamente trasmesso sui 3 canali standard previsti dal BLE ad ogni periodo di advertisement. Configurare 2 canali invece di 3 aumenta di 1/3 la durata della batteria, e di 2/3 se usato un canale solo. Questa tecnica è da usare però con accortezza in quanto gli scanners / clients BLE normalmente scansionano tutti e tre i canali e quindi riducendo il numero di canali si riduce la responsività degli scanner.

Chi deve realizzare un progetto che prevede l’utilizzo dei beacon, deve considerare il consumo naturale della batteria nel tempo e la loro sostituzione, soprattutto in caso di grandi quantità di dispositivi. Quali sono le indicazioni da seguire?

Quanto detto in risposta alle due domande precedenti va considerato attentamente oltre a definire una procedura di approvvigionamento preventivo e sostituzione programmata del parco batterie dei dispositivi in campo.

Il fatto che i dispositivi BLE come i beacon siano in grado di inviare autonomamente informazioni sullo stato della batteria è così fondamentale per chi deve gestirne in campo l’operatività. Da questo punto di vista i prodotti che forniscono tali informazioni, localmente o via Internet, sono assolutamente da preferire.

Come produttore di beacon, cosa proponete come nuove soluzioni per un miglioramento della batteria?

Oltre ai suggerimenti visti ai punti precedenti, e soprattutto quanto detto in merito all’ impatto ambientale ed allo smaltimento, le batterie dovrebbero essere usate quando non se ne può fare a meno. Quanto detto ha portato iBLio ad essere il primo produttore al mondo a realizzare dispositivi BLE alimentabili, oltre che a batterie di lunga durata, anche a Celle Solari e tramite Wireless Power Transfer che alleviano entrambe molte delle problematiche descritte in precedenza ed eliminano le problematiche di gestione, manutenzione e smaltimento delle batterie.

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