La batería de diez años que no llegaba a cinco
Un medidor de agua se instala una vez. Después nadie vuelve a abrirlo, y la batería es lo que decide cuánto dura el producto. Si se acaba antes de tiempo, no hay actualización que lo arregle: hay que mandar a alguien a cada medidor.
Diseñamos uno con una meta de diez años. Medición ultrasónica, reporte por lo menos cuatro veces al día —una versión por LoRaWAN y otra por GPRS— y una sola celda tamaño D de litio-cloruro de tionilo, de unos 19 Ah. La hoja de cálculo decía que alcanzaba con margen. Después se midió el consumo del prototipo en laboratorio, con instrumentos, y se proyectó en el tiempo: la versión con GPRS no llegaba ni a cinco años. La de LoRaWAN no tuvo ese problema.
Esta nota es sobre esa diferencia: qué tiene una hoja de cálculo de batería, y qué le falta.
Los números de las tablas son ilustrativos: valores típicos de hojas de datos, ordenados para mostrar el mecanismo. No son las mediciones de aquel equipo.
Todo cabe en una división
Diecinueve mil miliamperes-hora repartidos en diez años, que son 87,660 horas, dan 217 microamperes. Ese es el presupuesto completo: todo lo que el medidor haga en diez años tiene que caber, en promedio, en 217 µA. Dicho por día, 5.2 mAh.
La palabra que importa es promedio. El medidor pasa casi todo el tiempo dormido, consumiendo microamperes, y unos segundos al día despierto, consumiendo cientos de miliamperes. El presupuesto se arma con estados: cuánta corriente consume cada uno, cuánto dura y cuántas veces ocurre al día.
La hoja de cálculo
Así se ve un presupuesto razonable para la versión con GPRS, hecho con las hojas de datos en la mano:
| Estado | Supuesto | mAh por día | Parte |
|---|---|---|---|
| Reposo | 8 µA todo el día | 0.19 | 5 % |
| Medición | un disparo ultrasónico cada 2 s | 0.14 | 4 % |
| Radio | 4 reportes de 15 s a 200 mA | 3.33 | 90 % |
| Válvula | un movimiento a la semana | 0.04 | 1 % |
| Total | 154 µA promedio | 3.71 |
Con 19 Ah, eso da 14 años. Cuatro de margen sobre la meta. Se aprueba.
Ya se ve dónde está el peso: nueve de cada diez miliamperes-hora se van en el radio. Medir, que es lo que el medidor existe para hacer, es casi gratis.
Lo que la hoja no tenía
Ninguna de las filas está mal. Lo que pasa es que faltan cosas, y las que están suponen el mejor caso.
El reposo real no es el del microcontrolador. La hoja de datos del microcontrolador dice pocos microamperes dormido. Pero el medidor no es sólo el microcontrolador: está el regulador con su consumo propio, el módem apagado que no está del todo apagado, las resistencias de polarización, el circuito de medición en espera. De 8 µA se pasa con facilidad a 25. Parece poco, y son 24 horas al día durante diez años.
El radio en la peor cobertura del despliegue, no en la oficina. Un medidor vive en un registro a ras de piso, a veces bajo una tapa metálica. Ahí registrarse en la red celular tarda más, y a veces no lo logra. Un reporte que en la oficina tomaba 15 segundos toma 30, y de vez en cuando hay un intento fallido de un minuto que gasta lo mismo que uno exitoso y no entrega nada.
La batería se descarga sola. Una celda de litio-cloruro de tionilo pierde alrededor de 1 % al año aunque no se use, y más con calor. En 19 Ah son unos 22 µA permanentes: una décima parte del presupuesto, que no aparece en ninguna fila porque no la consume ningún circuito.
Los 19 Ah no son 19 Ah. Esa capacidad está medida con corriente baja y constante, a temperatura ambiente. Un módem celular pide pulsos de hasta dos amperes, que una celda de este tipo no entrega sola: por eso se acompaña de un capacitor que absorbe los picos. Además, después de semanas en reposo la celda forma una capa que la hace tardar en responder al primer pulso, y el calor dentro del registro acelera todo. Contar con 80 % de la capacidad nominal ya es optimista.
La válvula, en cambio, no importa. Moverla una vez a la semana es menos de 1 % del consumo. No todo lo que gasta mucho en el momento pesa en el presupuesto, y por eso se mide antes de culpar.
Con eso, la misma tabla queda así:
| Estado | Supuesto | mAh por día | Parte |
|---|---|---|---|
| Reposo | 25 µA todo el día | 0.60 | 6 % |
| Medición | igual | 0.14 | 1 % |
| Radio | 4 reportes de 30 s a 220 mA, y un intento fallido cada dos días | 9.17 | 88 % |
| Válvula | igual | 0.04 | 0 % |
| Autodescarga | 1 % al año | 0.52 | 5 % |
| Total | 436 µA promedio | 10.47 |
Con 80 % de los 19 Ah, dan 4 años.
Dónde está la diferencia
Casi toda en una fila. El radio pasó de 3.3 a 9.2 mAh por día, porque cada reporte por GPRS cuesta del orden de 1.8 mAh en campo. El presupuesto diario completo es de 5.2. Con GPRS, cuatro reportes al día ya se comen más de lo que el medidor tiene para todo. Hecha la cuenta al revés, con los números de campo, para llegar a diez años cabe un reporte al día.
De ahí sale la conclusión que más importa: con GPRS, el número de reportes al día no es un parámetro de configuración. Es una decisión de diseño, y se toma con el presupuesto, no con lo que pide el cliente en la junta.
Con LoRaWAN la cuenta es otra. Un mensaje cuesta del orden de cien veces menos energía que un reporte por GPRS, y el radio deja de ser el problema: es la diferencia entre las dos versiones de aquel medidor. Pero el error no desaparece: se muda. Con el radio barato, lo que domina es el reposo y la autodescarga, justo las dos filas que la hoja de cálculo subestimaba o no tenía.
Lo que haría desde el principio
Una columna de “medido” junto a la de “hoja de datos”. El presupuesto no se aprueba hasta que cada fila tenga una medición del prototipo, con el equipo completo, no del microcontrolador solo.
Medir el radio donde va a vivir el medidor. En el registro, con la tapa puesta, en la zona con peor cobertura del despliegue. Y contar los intentos fallidos como una fila propia. La proyección de aquel medidor se hizo en laboratorio y ya no alcanzaba; en campo sólo podía ser peor.
Escribir las pérdidas que no consume ningún circuito. Autodescarga, capacidad útil, temperatura. Si no están en la tabla, la tabla miente a favor.
Decidir los reportes con el presupuesto. Medir seguido y transmitir poco: el medidor puede medir cada dos segundos y acumular, y mandar varias lecturas en un solo mensaje. Cada reporte que se ahorra por GPRS son días de batería.
Rehacer la proyección cuando haya datos. Los primeros meses de un piloto dicen cuánto consume de verdad cada medidor. Es mucho más barato enterarse ahí que en el año cuatro, con miles instalados.
Para hacer el tuyo con tus números, con GPRS o LoRaWAN, está la calculadora de presupuesto de batería: corre en el navegador, trae estos ejemplos cargados y dice cuántos reportes al día caben en tu meta.
La hoja de cálculo no estaba mal hecha. Estaba hecha con lo que se sabía antes de medir, y una batería de diez años no se diseña con eso.
Israel Negrete Lepe es ingeniero en electrónica. Veinticinco años construyendo sistemas que llegan a producción: telemetría, rastreo vehicular, videovigilancia municipal, control de activos por RFID y plataformas transaccionales.