Sensores sem Bateria Alimentados por Energy Harvesting Impulsionam a Próxima Revolução IoT

A adoção da Internet das Coisas (IoT) cresceu exponencialmente em todo o mundo, mas sua expansão rápida traz desafios complexos para engenheiros e formuladores de políticas. Previsões indicam que, até 2025, a rede global de IoT poderá hospedar mais de 75 bilhões de dispositivos conectados, um número que ressalta a urgência de preparar soluções robustas e escaláveis.

Especialistas da indústria preveem um futuro onde milhões de dispositivos eletrônicos compartilharão uma estrutura de comunicação unificada — tipicamente um link sem fio para serviços em nuvem. Para suportar as demandas explosivas de dados desse ecossistema, tecnologias inovadoras de sensores são essenciais.

“Acredito que os próximos desafios para a 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”,

diz Greg Rice, Gerente de Marketing Técnico da ON Semiconductor.

Sensores conectados serão fundamentais nos setores automotivo, automação industrial, casas inteligentes, eletrônicos de consumo, agricultura e saúde móvel. Com um tráfego diário projetado de 125 exabytes até 2025, gerenciar eficientemente essa avalanche de dados será um obstáculo crítico.

Rice enfatiza que enviar cada byte gerado na borda para a nuvem pode congestionar a infraestrutura de rede. “Pode ser mais eficiente realizar alguma análise básica e agregação de dados na borda da IoT, em vez de enviar tudo pela nuvem para o núcleo da rede”, observa.

Energy Harvesting

A coleta de energia (energy harvesting) é fundamental para sustentar o crescimento exponencial da IoT. Os principais obstáculos são a eficiência da coleta e a confiabilidade do dispositivo. Dispositivos alimentados por coleta muitas vezes operam com orçamentos de energia minúsculos, forçando os projetistas a equilibrar desempenho e consumo.

Outro desafio reside na própria fonte de energia. Unidades alimentadas por energia solar prosperam durante o dia, mas falham à noite, enquanto dispositivos que coletam RF requerem um campo eletromagnético suficientemente forte. Escalar campos RF para suportar coleta generalizada também levanta importantes considerações de risco à saúde que devem ser rigorosamente avaliadas.

Sensores sem Bateria

A ON Semiconductor introduziu um conjunto de sensores sem fio, sem bateria e de última geração — a família Smart Passive Sensors™ (SPS) — que monitoram temperatura, pressão, umidade e proximidade na borda da rede. Esses sensores são ideais para implantações remotas ou extensas onde a substituição de bateria é impraticável.

Os sensores SPS são tags RFID sem bateria e sem microprocessador que usam o protocolo padrão da indústria UHF Gen 2 para comunicação. Quando interrogados por um leitor RF, a tag colhe energia do sinal, permitindo leituras rápidas e precisas sem uma fonte de energia dedicada.

Figura 1: Bloco funcional do sensor SPS

Rice explica: “Esta rede de sensores foi projetada para funcionar usando coleta de energia RF. Um hub central de sensores transmite energia RF através de uma antena conectada, e os nós de sensores individuais são sem fio e sem bateria, operando pela conversão do campo RF circundante em energia elétrica.”

Como mostrado na Figura 2, cada hub de sensor integra um módulo leitor — lidando com comunicação específica de protocolo e expondo dados brutos (EPC, Temp, RSSI, Código, etc.) — e um módulo de processamento que agrega e formata os dados para análise posterior. O hub suporta Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth e outros protocolos para encaminhar dados dos sensores para a nuvem.

Figura 2: Diagrama de blocos do hub de sensores

A arquitetura geral é representada na Figura 3: o hub coleta dados de múltiplos sensores e se comunica com outros dispositivos via nuvem, permitindo novas aplicações de IoT.

Figura 3: Arquitetura IoT de sensores

No coração do bloco de detecção está o Sensor IC Magnus-S2© da RF Micron, um chip RFID UHF alimentado por coleta de energia RF do leitor UHF. O Magnus-S2 incorpora um motor Chameleon de auto-ajuste patenteado que otimiza o front-end RF em condições ambientais variadas. Ele opera nas bandas UHF definidas pela FCC e UHF ETSI, entregando uma solução compacta e sem bateria que se encaixa facilmente em aplicações com restrição de tamanho.

A família SPS inclui:

• Sensores de temperatura para detecção passiva em superfícies metálicas, não metálicas e cerâmicas — ideais para manutenção preditiva em data centers e ambientes industriais.
• Sensores de umidade para detecção passiva em plásticos, madeira, cerâmica, solo e gesso — úteis para detecção de vazamentos e controle de qualidade.
• Sensores de nível de fluido que detectam passivamente fluido através de superfícies plásticas finas.

Conclusões

Com o número de dispositivos conectados aumentando continuamente, o sucesso da IoT depende do desempenho e das capacidades dos sensores. Sensores sem fio e sem bateria que se integram perfeitamente à análise na nuvem permitem monitoramento mais inteligente em data centers, manutenção industrial, construção, distribuição de energia, logística de cadeia fria, agricultura digital e saúde.

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