Aproveitando a Colheita de Energia para Dispositivos IoT de Borda Confiáveis

As implantações de IoT estão acelerando à medida que as organizações adotam a transformação digital, e a vida inteligente — em cidades, fábricas e fazendas — promete melhorar a qualidade de vida e a sustentabilidade.

Os endpoints de IoT são geralmente sensores — ou, menos frequentemente, atuadores — que se conectam sem fio a um agregador ou gateway de internet. Eles são implantados em grandes quantidades e distribuídos em áreas extensas. A manutenção em campo, como a substituição de baterias primárias esgotadas, costuma ser proibitivamente cara e gera resíduos ambientais inaceitáveis.

Os engenheiros podem evitar a substituição de baterias projetando endpoints com reservas de energia suficientes para sua vida útil esperada, frequentemente vários anos. O formato de célula tipo moeda é geralmente preferido devido a restrições de espaço. Se a energia armazenada for insuficiente, pode-se usar uma célula maior.

Alternativamente, redesenhar o circuito para reduzir o consumo total de energia abaixo da capacidade de armazenamento da célula disponível pode ajudar. Qualquer uma das estratégias — ou uma combinação de ambas — ainda pode não atingir a meta.

A microcolheita de energia, produzindo microwatts ou miliwatts de potência, oferece uma fonte útil e potencialmente inesgotável de eletricidade capturada do ambiente. Ela pode complementar ou substituir uma célula primária, dependendo da aplicação e da energia ambiente disponível. Em alguns casos, a energia colhida e convertida pode alimentar o circuito diretamente; em outros, armazená-la em um buffer até ser necessária é mais adequado.

Em qualquer caso, uma fonte de energia ambiente adequada é necessária para atender às demandas da aplicação. Entre os vários subsistemas do endpoint IoT, o rádio consome mais energia. Analisar seus requisitos pode orientar o projeto e a integração do sistema de colheita de energia.

Consumo de Energia do Subsistema de Rádio

Escolher a tecnologia sem fio mais adequada para fornecer a taxa de dados e o alcance de comunicação necessários com o menor consumo de energia possível é fundamental.

Se o sensor estiver posicionado a curta distância de um agregador ou gateway — como um hub ou roteador conectado à internet ou a uma central de telecomunicações local — tecnologias como Bluetooth, Zigbee ou Wi‑Fi podem ser apropriadas, dependendo da taxa de dados requerida e das restrições de custo. Para endpoints distribuídos em grandes áreas geográficas, uma conexão LPWAN ou celular pode ser necessária. A Figura 1 compara o consumo de energia, taxa de dados, alcance máximo típico e custos relativos das principais tecnologias usadas em aplicações de IoT.

O alcance, a taxa de dados e o consumo de energia também podem ser expressos numericamente para facilitar a comparação direta. Como mostra a Figura 2, um subsistema sem fio pode consumir de apenas 150 µW a 400 mW.

Para compreender totalmente o impacto na demanda energética geral do sistema, o ciclo de trabalho deve ser considerado. Aplicações como medidores inteligentes de utilidades enviam pequenos pacotes de dados algumas vezes por dia ou a cada poucos dias. Outras — como câmeras de segurança — podem precisar enviar grandes quantidades de dados frequentemente ou continuamente. Dependendo da aplicação, o ciclo de trabalho pode ser reduzido filtrando dados localmente antes da transmissão; uma câmera, por exemplo, pode incluir um sensor de movimento para iniciar a gravação apenas quando atividade é detectada, ou processamento de imagem embutido pode descartar quadros sem interesse. A energia necessária para filtrar os dados deve ser pesada contra a economia de um ciclo de trabalho menor para garantir um benefício líquido.

Fontes de Energia Ambiente

Com uma visão clara das necessidades energéticas do subsistema sem fio, fontes ambiente adequadas e tecnologias de microcolheita de energia podem ser avaliadas.

As principais tecnologias de microcolheita de energia que podem alimentar esses sistemas são arrays de células solares, conversores piezoelétricos ou eletrostáticos ativados por vibrações, e dispositivos Peltier que convertem um gradiente de temperatura em força eletromotriz (FEM). A energia RF capturada por antenas de patch ou bobina é geralmente adequada apenas para as aplicações de IoT mais econômicas. A Figura 3 compara as densidades de energia típicas dessas tecnologias. Usando essa informação, uma tecnologia pode ser selecionada e uma especificação desenvolvida avaliando tamanhos e desempenho dos componentes.

Células solares com área de 35–40 cm² podem gerar cerca de 0,5 W, assumindo uma eficiência de aproximadamente 20%. Essas células estão disponíveis por menos de $1 cada em volume, enquanto colheitores piezoelétricos são tipicamente pelo menos uma ordem de magnitude mais caros e produzem menos energia. Células solares são menos eficientes em ambientes internos, mas colheitores internos recentes afirmam saída suficiente para rádios de baixa potência.

Integrando Tudo

Aproveitando esses avanços, a microcolheita de energia pode reduzir ou eliminar baterias em endpoints de IoT. Como as fontes ambiente são irregulares e podem não estar disponíveis quando o dispositivo precisa transmitir ou receber dados, um buffer de energia — como uma bateria recarregável, capacitor ou supercapacitor — é geralmente necessário. Um CI de gerenciamento de energia de colheita (EH PMIC) gerencia a energia do subsistema de colheita, carrega o buffer e alimenta a carga quando necessário, como mostrado na Figura 4. Diferentes tecnologias de colheita têm características elétricas distintas. Coletores termoelétricos produzem corrente contínua de baixa tensão contínua e são de baixa impedância; células solares também produzem baixa tensão CC, mas a corrente — e portanto a impedância — varia com o nível de luz.

Os EH PMICs típicos no mercado hoje têm arquiteturas fixas e faixas de tensão de entrada adaptadas a um tipo específico de coletor. Isso limita a capacidade de combinar múltiplas fontes de energia se uma sozinha não atender ao requisito do sistema. Quando várias fontes são necessárias, um EH PMIC dedicado é necessário para cada uma, adicionando custo, tamanho, consumo de energia e complexidade de projeto.

Alguns EH PMICs podem ser ajustados com circuitos externos para condicionar a saída do coletor. Para simplificar o projeto do sistema, os EH PMICs da Trameto — chamados OptiJoule — oferecem entradas que se adaptam automaticamente a vários coletores conectados e maximizam a potência entregue ao buffer, sem circuitos externos. Versões estão disponíveis para entradas únicas ou até quatro entradas. As versões multi-entrada permitem conexão de coletores semelhantes ou diferentes. Com dispositivos OptiJoule, a capacidade de microcolheita de energia pode ser escalada, um único PMIC pode servir a múltiplas aplicações, e a escolha da tecnologia de colheita pode ser adiada para mais tarde no desenvolvimento do produto.

Conclusão

Avanços em protocolos de rádio otimizados, design de microprocessadores de baixa energia, sensores de baixo consumo e aumento da eficiência da microcolheita de energia tornaram a energia ambiente uma fonte viável para reduzir ou eliminar baterias em dispositivos IoT de borda. Os mais recentes desenvolvimentos em EH PMICs fornecem a flexibilidade para gerenciar tamanho, custo e complexidade ao integrar tecnologias de microcolheita de energia selecionadas.