Coleta de energia alimenta sensores ambientais sem bateria

A aceitabilidade da Internet das Coisas (IoT) cresceu tremendamente em todo o mundo; no entanto, a taxa desse progresso está colocando desafios para seus especialistas, que estão expressando preocupações / temores sobre seu futuro. Estima-se que, em 2025, os dispositivos conectados à rede IoT podem ultrapassar a notável cifra de 75 bilhões de unidades. Isso dá crédito às preocupações dos profissionais e à necessidade de estarem devidamente preparados para que os ganhos alcançados não desapareçam.

Os especialistas em IoT já prevêem um cenário em que uma infinidade de dispositivos eletrônicos se comunicam por meio de uma interface comum, normalmente representada por uma conexão sem fio à nuvem. O número de dispositivos conectados à rede IoT está crescendo continuamente, como resultado, novas tecnologias de sensores serão necessárias para dar suporte à demanda por dados gerados pelo crescimento explosivo de dispositivos conectados. Esses serão os próximos desafios da IoT.

“Acredito que os próximos desafios da IoT serão focados em identificar quais dispositivos farão parte da IoT. Só porque é tecnicamente possível projetar um dispositivo inteligente não significa necessariamente que haja valor em ter todos os dispositivos conectados à IoT ”, disse Greg Rice, Gerente de Marketing Técnico da ON Semiconductor.

Dispositivos e sensores conectados desempenharão um papel importante em várias áreas, incluindo automotiva, automação industrial, casas inteligentes, computação de consumo, agricultura e saúde móvel. Os dados detectados, coletados e agregados crescerão exponencialmente, levando a um tráfego estimado de 125 exabytes de dados por dia em 2025. Gerenciar essas grandes quantidades de dados gerados por dispositivos conectados à IoT será um grande desafio.

Discorrendo sobre os desafios e oferecendo um caminho a seguir, Rice afirmou que, “Se cada bit de dados gerado na extremidade da IoT for enviado pela nuvem, isso poderia criar congestionamento na infraestrutura de rede. Pode ser mais eficiente realizar algumas análises básicas de dados e agregação na borda da IoT, em vez de enviar tudo pela nuvem para o núcleo da rede ”.

Coleta de energia

A captação de energia será crucial para enfrentar os desafios oferecidos pelo crescimento exponencial dos dispositivos IoT. Rice acredita que os desafios da coleta de energia estão centrados em torno da eficiência da coleta de energia e da confiabilidade dos dispositivos que são alimentados por meio da coleta de energia ”. Dispositivos para coleta de energia operam com quantidades muito pequenas de energia, seu design muitas vezes é uma compensação entre desempenho técnico e consumo de energia reduzido. “Um desafio com dispositivos projetados para operar por meio de coleta de energia é encontrar o equilíbrio certo dessas compensações no processo de design”, destacou Rice.

Outro desafio relevante é a fonte de energia para captação de energia. Durante o dia, um dispositivo movido a energia solar pode operar de forma eficiente, explorando a luz solar disponível. No entanto, o mesmo não se pode dizer do seu funcionamento à noite. Da mesma forma, os dispositivos que usam energia de RF para coleta de energia devem estar na presença de um campo de RF com uma certa intensidade de sinal. No caso de mais campos de RF serem implantados para suportar dispositivos de coleta de energia, os riscos à saúde associados devem ser avaliados cuidadosamente.

Sensores sem bateria

A ON Semiconductors projetou um conjunto inovador de sensores sem fio e sem bateria para a rede IoT. A família de dispositivos Smart Passive Sensors ™ (SPS) permite o monitoramento de temperatura, pressão, umidade ou proximidade na borda da rede. Uma vez que os sensores ambientais são frequentemente implantados em locais remotos ou em uma área ampla, como uma fábrica ou um prédio, a troca da bateria frequentemente não é uma operação economicamente viável. A coleta de energia, especialmente a potência de RF para sensores SPS, é capaz de atender a esse requisito. Conforme mostrado na Figura 1, cada sensor SPS é uma etiqueta de sensor RFID sem bateria e sem microprocessador com um bloco de antena para comunicação sem fio, por meio do protocolo UHF Gen 2 padrão da indústria, com um leitor de RFID. Quando um sensor SPS é interrogado por um leitor de RF, ele usa a energia recebida do sinal, fornecendo uma leitura rápida e precisa do sensor.

Figura 1:Bloco funcional do sensor SPS

“Esta rede de sensores é projetada para funcionar usando coleta de energia de RF. Há um hub de sensor central que transmite potência de RF por meio de uma antena conectada. Os nós sensores individuais são sem fio e sem bateria, e eles operam convertendo a energia no campo de RF ao redor em uma fonte de energia para os componentes eletrônicos nos nós sensores ”, explicou Rice.

Conforme mostrado na Figura 2, cada hub de sensor integra dois blocos principais:o módulo de leitor e o módulo de processamento. O módulo leitor executa funções específicas de protocolo para se comunicar com sensores e expor dados brutos do sensor (EPC, Temp, RSSI, Código, etc.) para o módulo de processamento. O módulo de processamento agrega e formata os dados do sensor para análise adicional. Os recursos de conectividade do hub do sensor incluem WiFi, Ethernet, Bluetooth e outros protocolos adequados para enviar dados do sensor para a nuvem para análises, análises e decisões adicionais.

Figura 2:diagrama de blocos do hub do sensor

A arquitetura geral da IoT do sensor é mostrada na Figura 3. O hub do sensor coleta dados de vários sensores e se comunica com outros dispositivos conectados por meio da nuvem para habilitar a IoT em novos aplicativos e cenários.

Figura 3:a arquitetura IoT do sensor

No centro do bloco de detecção está o IC Sensor Magnus-S2 © da RF Micron, um chip RFID UHF que é alimentado por coleta de energia RF do leitor UHF. O Magnus-S2 utiliza o motor Camaleão de autoajuste patenteado que adapta o front-end RF para otimizar o desempenho em várias condições ambientais. Essas tags de sensor funcionam na banda UHF definida pela FCC ou na banda ETSI UHF. O formato pequeno e os recursos sem bateria dos Sensores Passivos Inteligentes permitem que sejam projetados em aplicações onde tamanho e acessibilidade são essenciais.

A família de dispositivos SPS inclui:

• Sensores de temperatura, projetados para detecção passiva de temperatura em superfícies metálicas, não metálicas e cerâmicas. Os aplicativos incluem manutenção preditiva em indústrias e centros de dados;
• Sensores de umidade, projetados para detecção passiva de umidade em várias superfícies ou produtos acabados feitos de plástico, madeira, cerâmica, solo e gesso. As aplicações incluem o nível de umidade ou detecção de vazamento e controle de qualidade em diferentes contextos industriais;
• Sensores de nível de fluido projetados para detecção passiva de fluido através de superfícies finas, como plásticos.

Conclusões

O número de dispositivos conectados à rede IoT está em constante crescimento, com aplicações envolvendo todos os setores de tecnologia. O sucesso e a expansão do setor de IoT dependem estritamente das características e do desempenho dos sensores envolvidos. Novas tecnologias de sensores são necessárias para complementar as redes de sensores tradicionais. Um sensor sem bateria sem bateria com conectividade em nuvem permite o monitoramento aprimorado das condições ambientais em diferentes aplicações, como data centers, manutenção preditiva industrial, construção e energia, cadeia de frio, agricultura digital e saúde inteligente.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Electronics News.