Energia Sem Fio RF Impulsiona Adoção Universal de Redes de Sensores

Estamos na era de uma explosão de IA (inteligência artificial). Tudo — desde sua geladeira até a tigela do seu cachorro — se tornará parte da rede neural de IA. Receitas mundiais para o mercado de IA, incluindo software, hardware e serviços, estão previstas para crescer 16,4 por cento ano a ano em 2021 para $327,5 bilhões, e até 2024 o mercado deve quebrar a marca de $500 bilhões.

Embora estes números sejam impressionantes, a IA só atingirá seu potencial total quando puder ser alimentada com um fluxo constante de dados de uma infinidade de fontes diversas. Para coletar dados a uma taxa que permita saída de IA de alto valor, você precisa de uma rede de sensores onipresente no lugar. Sensores são os neurônios que disparam as sinapses de IA. Estas sinergias são imperativas para a frequência e qualidade da saída.

Nos últimos anos, sensores começaram a deixar sua marca como a estrutura do IoT. Em 2022, sensores de movimento devem responder por 8,35 por cento do mercado global de sensores habilitados para IoT. Receita total gerada pelo mercado de sensores habilitados é estimada para atingir $56 bilhões em 2022.

Redes de sensores precisam continuar a se expandir para poder realmente apoiar a adoção e realização de IA de alto valor. No entanto, a expansão escalável de redes de sensores está sendo sufocada pelas restrições de colocação devido à necessidade de acesso à energia. Então, como podemos "manter as luzes acesas e os neurônios disparando?"

Historicamente, sensores são alimentados por fios e/ou baterias. No entanto, ambas as opções têm limitações. Fios podem ser caros para instalar e frequentemente restritivos — com limites no comprimento do cabo e potencial para pontos de quebra. Baterias têm vida limitada; precisam ser substituídas regularmente e são jogadas fora quando gastas. Em resumo, não são confiáveis para os ciclos de tempo requeridos; são um custo repetitivo, e são ambientalmente insustentáveis.

Uma Alternativa à Energia Tradicional

Um substituto para fios e baterias é colheita de energia (captura de energia disponível). Ou carregamento sem fio (geração de energia para alimentar um dispositivo sem fio), que é o processo onde energia é derivada de fontes de energia externas previsíveis, capturada e armazenada para aplicações incluindo pequenos dispositivos autônomos sem fio como aqueles usados em redes de sensores sem fio.

Existem muitos métodos de carregamento sem fio, que examinaremos brevemente:

• Vibração é o conceito de converter energia de vibração em energia elétrica. Este método é ideal apenas para máquinas que vibram.

• UV/IR energia deve ter linha de visão direta entre transmissor e receptor para funcionar corretamente, qualquer obstrução resulta em nenhuma energia chegando ao receptor.

• Qi é carregamento indutivo e oferece watts de potência, mas é apenas para aplicações onde transmissor e receptor estão a poucos milímetros de distância; alinhamento do dispositivo é bastante restritivo.

• Solar e eólica, na maioria dos casos, devem ser ao ar livre e portanto podem ser custosos para construir e também podem ser um pouco limitados em suas capacidades.

• Radiofrequência (RF) não requer linha de visão direta, pode entregar energia em invólucros à prova d'água, é de baixa potência (μW a mW) e é mais versátil que os processos mencionados anteriormente.

Redes de Sensores Sem Fio

Tecnologia de energia sem fio RF é única porque usa ondas eletromagnéticas de radiofrequência em vez de campos magnéticos para carregar um dispositivo. Um transmissor RF usa eletrônica para gerar um sinal RF. O sinal RF é enviado a uma antena, que transmite as ondas RF a um receptor embutido dentro de um dispositivo, que as capta usando uma antena. Eles são então convertidos em CC utilizável usando um chip embutido. Isso alimenta o dispositivo ou recarrega a bateria. A transferência de energia sem fio RF pode ser descrita no campo distante usando a bem conhecida Equação de Friis. A equação nos mostra como a potência transmitida, tipos de antenas e frequência do sinal RF impactam a potência recebida em diferentes distâncias.

Energia sem fio RF pode ser implementada como um ponto de carregamento onde múltiplos dispositivos podem ser alimentados simultaneamente; como um feixe RF que pode ser enviado diretamente para um dispositivo particular a vários metros do transmissor; ou como um ponto focalizado diretamente na frente do transmissor. Porque é um sistema de dois lados (transmitir e receber), uma solução pode ser projetada para a maioria das aplicações. Uma grande vantagem da energia sem fio RF é que pode ser implementada em uma variedade de ambientes e configurações diferentes, por exemplo, instalações de grande escala como hotéis, complexos de escritórios e campi. Na maioria das vezes há áreas desocupadas de um hotel, complexo de escritórios ou campus, que não precisam de luzes acesas ou sistemas de temperatura rodando em estado estável. A capacidade de mudar estas condições (não ter luzes acesas em certos quartos desocupados e não ter o sistema de AC ou aquecimento ligar ou rodar menos frequentemente) pode criar instalações eco-friendly, melhorando a experiência do usuário e fornecendo economia significativa de custos.

Tipicamente, redes de sensores são apenas integradas quando o edifício é projetado, ou durante um grande esforço de remodelação, devido à complexidade de implementação. No entanto, redes de sensores sem fio (WSNs) usando energia sem fio RF tornam a implementação muito mais fácil. Não há necessidade de passar fios, não há necessidade de considerar problemas de bateria. Uma WSN permite sensores irrestritos, espacialmente dispersos e dedicados para monitorar e relatar condições físicas do ambiente e organizar os dados coletados em local centralizado.

Hoje, WSNs ainda dependem principalmente de energia de bateria, que como observado, não é inteiramente confiável ou preferível. Mas, a introdução da mentalidade 'corte os fios' da tecnologia WSN permite que o sensoriamento ocorra fora de vista e em lugares de difícil acesso. Integrar colheita de energia leva a versatilidade WSN um passo adiante removendo interação humana após instalação para que estes sistemas possam operar continuamente de forma confiável sem necessidade de manutenção. Além disso, embora colheita de energia adicione um custo inicial, o ROI econômico de maior controle é rápido, e a liberdade de manutenção futura (substituição de bateria) e descarte têm efeito composto.

Fora de monitoramento e controle ambiental, outras formas que esta tecnologia pode ser aplicada incluem sistemas de escaneamento de temperatura pessoal sem bateria projetados para ajudar com protocolos COVID-19, sensoriamento sem bateria em câmaras de materiais perigosos ou contêineres de armazenamento onde é perigoso para indivíduos estarem por perto, e até rastreamento de temperatura de vacinas usando equipamento RFID existente — prática comum na maioria dos ambientes médicos.

Demanda por WSNs

À medida que a demanda por IA aumenta, também aumentará a demanda por WSNs. Projetos de pesquisa que o mercado global de rede de sensores sem fio deve crescer a uma CAGR (taxa de crescimento anual composta) excedendo 14 por cento ao longo do período de previsão. Seu tamanho pode chegar a $1,5 bilhão até 2022. WSNs são benéficas por muitas razões: são flexíveis e adaptáveis, são escaláveis, e podem acomodar novos dispositivos a qualquer momento, e podem ajudar com economia de custos já que não há custos de fiação.

A necessidade de WSNs será vista em todas as áreas de negócios — de varejo a armazéns, instalações de manufatura e além. Mesmo espaços públicos estão utilizando WSNs em semáforos, paradas de ônibus, rodovias, faixas de pedestres, e assim por diante. Edifícios de escritórios estão usando WSNs para monitorar localizações de funcionários e rastreamento de ativos para ver onde laptops estão localizados dentro de um edifício. De termostatos inteligentes, fechaduras, persianas, luzes e tomadas, parece que tudo está conectado hoje em dia, e à medida que vemos mais dispositivos inteligentes surgindo, veremos consultas ainda maiores por WSNs. Eles serão a espinha dorsal das cidades inteligentes do amanhã.

Energia Sem Fio RF

Embora existam várias opções para energia sobre o ar, RF está entre as formas mais confiáveis e escaláveis de transferência de energia sem fio para ambientes internos e externos. Em geral, energia sem fio é mais confiável que colheita de energia, pois é identificável e previsível. Também é fácil integrar tecnologia de carregamento sem fio RF pois não é restrita por movimento ou colocação exata, permitindo que acomode dispositivos que indução não pode.

Energia sem fio é a tecnologia habilitadora do amanhã. Ela nos dará a flexibilidade para implantar WSNs de uma maneira pela qual podemos tornar o amanhã mais inteligente, seguro, verde e melhor.

Este artigo foi escrito por Charlie Goetz, Diretor Executivo, Powercast (Pittsburgh, PA). Para mais informações, contate Sr. Goetz neste endereço de e-mail protegido contra spambots. Você precisa de JavaScript habilitado para visualizá-lo.; ou visite aqui .