Superando o obstáculo da bateria para detecção ubíqua - Finalmente
27 de setembro de 2021
Por que os sensores com alimentação própria mudam o jogo
Equipar objetos com dispositivos de computação que permitem a transmissão de dados pela Internet promete há anos revolucionar a maneira como as empresas operam e os indivíduos vivem. E embora a Internet das Coisas (IoT) esteja claramente afetando nossas vidas pessoais - por meio de smartphones, termostatos conectados, rastreadores de condicionamento físico vestíveis e até garrafas de água que monitoram nossos hábitos de beber - demorou mais para chegar à onipresença do que os especialistas previram e muito mais lento do que o esperado para se estabelecer entre as empresas industriais.
O problema da bateria dos trilhões
Em 2012, a IBM previu 1 trilhão de dispositivos conectados até 2015 . O mundo não chegou perto desse número. Uma das implicações da previsão de trilhões de dispositivos da IBM é o volume - são um trilhão de baterias necessárias para manter esses trilhões de sensores IoT coletando, analisando e enviando dados. A vida da bateria tem sido o foco da maioria das inovações até hoje. Um artigo apresentado no Simpósio de Kyoto em Circuitos VLSI 2017 descreveu novos métodos nos quais a indústria está trabalhando para estender a vida da bateria para dispositivos IoT.
Suponhamos que a indústria finalmente alcance sua meta de uma vida útil de 10 anos para a bateria IoT média. Quantas baterias precisariam ser substituídas todos os dias em um mundo de trilhões de dispositivos? A resposta:273.972.603. Pior ainda, se a indústria ficar aquém dessa meta e fornecer bateria com vida útil de apenas dois anos, isso significa que cada pessoa no planeta (todos os 7,4 bilhões) está trocando uma bateria a cada cinco dias.
Não podemos substituir mais de 1 bilhão de baterias todos os dias. Mesmo na melhor das hipóteses, alimentar 1 trilhão de dispositivos IoT exigiria a substituição de 274 milhões de baterias todos os dias. E isso presumindo que todas as baterias atinjam suas expectativas de vida total de 10 anos. Claramente, este não é um plano viável.
Podemos substituir as primeiras 137 milhões de baterias antes do almoço?
Vamos colocar isso em termos do mundo real que refletem como você pode realmente aproveitar a IoT em seu próprio negócio.
Imagine que você implantasse 10.000 dispositivos IoT industriais em suas instalações - sensores estrategicamente colocados para transmitir dados em tempo real sobre a saúde e o desempenho de suas máquinas e equipamentos, para monitorar a temperatura e a qualidade do ar em vários setores, para verificar se há toxinas que possam ter vazou, para retransmitir o status de seu sistema de vapor, sistemas HVAC e outra infraestrutura vital.
Assumindo uma noção otimista de uma vida média de 5 anos para essas 10.000 baterias, sua equipe estaria substituindo cerca de 2.000 baterias por ano, ou cerca de 5 por dia (pense no problema do detector de fumaça doméstico, mas com esteróides). Dependendo dos tipos de dispositivos de que estamos falando, as baterias em si podem custar de alguns dólares a várias centenas de dólares cada para substituir. Talvez ainda mais preocupante é que o custo de chegar a um sensor remoto para trocar a bateria costuma ser muito mais alto do que o custo da própria bateria.
Tudo isso ajuda a explicar por que, de acordo com um relatório de 2017 citado pela Instituição de Engenheiros Mecânicos, “ As baterias devem ser eliminadas para que a Internet das Coisas floresça . ” Este é o problema mais básico - a indústria está se concentrando na vida útil da bateria em vez de eliminar totalmente a dependência de baterias.
5 razões pelas quais as baterias restringem implantações econômicas da IIoT
Sensores alimentados por bateria requerem manutenção manual
O problema mais óbvio é que todas as baterias eventualmente precisam ser substituídas. Como apontamos anteriormente, o custo de acesso e substituição de baterias descarregadas - porque esses processos ainda devem ser feitos manualmente - costuma ser muito maior em recursos e horas de trabalho do que o custo da própria bateria nova. Essa necessidade de esforço manual frequente anula imediatamente o valor central dos sensores conectados.
Vida útil finita pode levar a lacunas nos dados de missão crítica
A inevitabilidade de uma bateria descarregada pode ter consequências além do trabalho marginal e dos recursos de capital necessários para inspecionar e substituir as baterias. A menos que a equipe que supervisiona os sensores de IoT de uma planta descubra uma bateria descarregada imediatamente e possa rapidamente chegar ao sensor e substituí-la, a planta perderá permanentemente todos os dados que o sensor teria coletado e transmitido nesse ínterim. Para piorar a situação, as baterias se gastam rapidamente em redes de sensores sem fio, mesmo quando gerenciadas com cuidado.
Como alguns dos sensores de uma planta industrial registram e transmitem dados essenciais para a segurança e conformidade, o esgotamento das baterias pode criar riscos significativos para os negócios.
Para conservar a vida da bateria, os sensores são frequentemente configurados para transmitir dados com menos frequência
Idealmente, um dispositivo IoT em uma planta industrial - digamos, um sensor posicionado perto das operações químicas da instalação para monitorar continuamente a atmosfera em busca de vazamentos tóxicos - deve transmitir seus dados com extrema frequência. Atualizações várias vezes por minuto são ideais.
Mas toda transmissão de dados consome energia. Portanto, para estender a vida da bateria, muitos sensores IoT são configurados para transmitir dados com muito menos frequência do que seria o ideal - às vezes tão raramente como uma vez a cada 24 horas.
Isso pode dar aos operadores de uma planta uma imagem imprecisa dos dados que um sensor está capturando.
As dimensões físicas podem limitar a funcionalidade do sensor
As baterias costumam ser a maior parte de um sistema de sensor IoT, deixando aos engenheiros escolhas limitadas de quais baterias adicionar a seus sensores. Além disso, o tamanho, o peso e as dimensões da bateria costumam limitar a utilidade do sensor. Isso ocorre porque as características físicas da bateria podem restringir os tipos de aplicações que um sensor pode executar e com quais outros componentes a bateria pode coexistir na placa do sensor, bem como onde ela pode ser implantada (com locais incorporados fora dos limites devido aos mudanças de bateria).
Possíveis riscos de segurança e danos ambientais
Relatórios do US National Institutes of Health (NIH) que as baterias de lítio comumente usadas em sensores IoT “podem contribuir substancialmente para a poluição ambiental e impactos adversos à saúde humana, devido a materiais potencialmente tóxicos”.
A implantação contínua de dispositivos IoT alimentados por bateria em todo o mundo - especialmente se esses dispositivos forem lançados aos bilhões ou dezenas de bilhões, conforme previsto - é especialmente preocupante.
A solução sem bateria
A solução para a revolução Industrial IoT:um sistema ponta a ponta que reúne todos os componentes necessários para uma solução de detecção onipresente e totalmente desenvolvida - construída em torno de sensores IoT sem fio que são totalmente autoalimentados.
O novo semicondutor de núcleo patenteado e a tecnologia de rede sem fio permitem que os dispositivos operem com baixos níveis de energia coletada do ambiente, gerando energia suficiente para permitir suas operações de ultra-baixa energia indefinidamente. Os sensores operam continuamente e nunca precisarão de bateria.
A energia é colhida de várias fontes - incluindo solar interna de baixo nível, solar externa, o efeito termoelétrico (capturando a energia ambiente gerada a partir do gradiente de temperatura), bem como através da vibração de materiais piezoelétricos (como certos cristais e cerâmicas) e até mesmo de ondas de rádio viajando pelo meio ambiente. Ao contrário de outros componentes eletrônicos de "baixa potência", mas de propósito único que utilizam coleta de energia, novos dispositivos sensores completos podem não apenas coletar uma matriz de dados usando vários sensores, mas também processar, analisar e transmitir esses dados sem fio - tudo no mesma bateria menos orçamento de energia.
Pense nos sistemas com alimentação própria como “sensores permanentes”, porque eles podem ser implantados sem a preocupação de inspecioná-los fisicamente para manutenção ou verificação do nível da bateria.
O problema da bateria impediu a adoção da Internet das Coisas Industrial (IIoT) e privou as empresas industriais de benefícios significativos, como capacidades de detecção generalizada que podem gerar inteligência acionável nunca antes acessível. A solução é uma plataforma de detecção pervasiva integrada e full-stack onde todo o ambiente - sensor físico, captura de dados e funcionalidade de processamento, comunicação sem fio, analítica e plataforma de software de relatório - é projetado para operar como um verdadeiro ecossistema. Essas inovações podem finalmente ajudar as empresas a concretizar os trilhões de dólares em valor prometido pela IIoT.
Rafael Reyes atualmente é o Diretor de Marketing de Produto da Everactive, uma empresa de tecnologia que combina sensores sem fio sem bateria e análise de nuvem para fornecer soluções de IoT industriais de ponta a ponta, onde conduz estratégias de entrada no mercado centradas no cliente para novos produtos e a estratégia promocional para produtos existentes. Rafael tem mais de 10 anos de experiência em marketing e desenvolvimento de produtos; combinado com 5 anos de experiência em Planejamento Estratégico e 5 anos de experiência em gestão de unidades de negócios, tudo dentro das empresas B2C e B2B.
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