Sensores Autossuficientes: Eliminando a Barreira da Bateria para IoT Ubíqua

27 de setembro de 2021

Por que Sensores Autossuficientes são o Game-Changer

Equipar objetos com dispositivos de computação que lhes permitam transmitir dados pela Internet prometeu por anos revolucionar a forma como empresas operam e indivíduos vivem. E embora a Internet das Coisas (IoT) esteja claramente afetando nossas vidas pessoais – via smartphones, termostatos conectados, rastreadores de fitness vestíveis e até garrafas de água que monitoram nossos hábitos de hidratação – tem sido mais lenta para atingir a ubiquidade do que especialistas previam, e muito mais lenta do que o esperado para se firmar entre empresas industriais.

O Problema do Trilhão de Baterias

Em 2012, a IBM previu 1 trilhão de dispositivos conectados até 2015. O mundo não chegou nem perto desse número. Uma das implicações da previsão de trilhão de dispositivos da IBM é o volume – isso é um trilhão de baterias necessárias para manter aqueles trilhões de sensores IoT coletando, analisando e enviando dados. A vida útil da bateria tem sido o foco da maior parte da inovação até hoje. Um artigo apresentado no Simpósio de Kyoto de 2017 sobre Circuitos VLSI descreveu novos métodos em que a indústria está trabalhando para estender a vida útil da bateria para dispositivos IoT.

Vamos assumir que a indústria eventualmente atinja seu objetivo de uma vida útil média de 10 anos para a bateria IoT média. Quantas baterias precisariam ser substituídas todos os dias em um mundo de trilhão de dispositivos? A resposta: 273.972.603. Pior ainda, se a indústria ficar aquém dessa meta e entregar apenas uma vida útil de bateria de 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 em um cenário de melhor caso, alimentar 1 trilhão de dispositivos IoT exigiria substituir 274 milhões de baterias todos os dias. E isso assumindo que todas as baterias atinjam sua expectativa de vida total de 10 anos. Claramente, este não é um plano viável.

Podemos Substituir os Primeiros 137 Milhões de Baterias Antes do Almoço?

Vamos colocar isso em termos do mundo real que refletem como você pode realmente alavancar IoT em seu próprio negócio.

Imagine que você implantasse 10.000 dispositivos IoT Industriais em suas instalações – sensores estrategicamente posicionados para transmitir dados em tempo real sobre a saúde e desempenho de suas máquinas e equipamentos, monitorar temperatura e qualidade do ar em vários setores, verificar vazamentos de toxinas, relatar o status de seu sistema a vapor, sistemas HVAC e outra infraestrutura vital.

Assumindo uma noção otimista de vida média de 5 anos naquelas 10.000 baterias, sua equipe estaria substituindo aproximadamente 2.000 baterias por ano, ou cerca de 5 a cada dia (pense no problema do detector de fumaça doméstico, mas em esteroides). Dependendo dos tipos de dispositivos dos quais estamos falando, as próprias baterias 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 uma bateria é frequentemente muito maior do que o custo da própria bateria.

Tudo isso ajuda a explicar por que, de acordo com um relatório de 2017 citado pela Institution of Mechanical Engineers, "Baterias devem ser eliminadas para que a Internet das Coisas floresça." Este é o problema mais básico – a indústria está focada na vida útil da bateria em vez de eliminar a dependência de baterias completamente.

5 Razões Pelas Quais Baterias Restringem Implantações IIoT Custo-Efetivas

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 acessar e substituir baterias mortas – porque tais processos ainda devem ser feitos manualmente – é frequentemente muito maior em recursos e horas-homem do que o custo da nova bateria em si. Esta necessidade de esforço manual frequente derrota imediatamente o valor central de sensores conectados.

Vidas úteis finitas podem levar a lacunas em dados críticos para a missão
A inevitabilidade de uma bateria morta pode ter consequências além dos recursos marginais de trabalho e capital necessários para inspecionar e substituir baterias. A menos que a equipe supervisionando os sensores IoT de uma fábrica descubra uma bateria morta imediatamente e possa chegar rapidamente ao sensor e substituí-la, a fábrica perderá permanentemente quaisquer dados que o sensor teria coletado e transmitido no interim. Para piorar, baterias se desgastam rapidamente em redes de sensores sem fio, mesmo quando cuidadosamente gerenciadas.

Como alguns dos sensores de uma planta industrial registram e transmitem dados que são críticos para segurança e conformidade, baterias morrendo podem criar perigos significativos para o negócio.

Para conservar a vida útil da bateria, 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 – deveria transmitir seus dados extremamente frequentemente. Atualizações várias vezes por minuto são ideais.

Mas cada transmissão de dados consome energia. Então, para estender a vida útil da bateria, muitos sensores IoT são configurados para transmitir dados muito menos frequentemente do que seria ideal – às vezes tão infrequentemente quanto uma vez a cada 24 horas.

Isso pode dar aos operadores da planta uma imagem imprecisa dos dados que um sensor está capturando.

Dimensões físicas podem limitar a funcionalidade do sensor
Baterias são frequentemente a maior parte de um sistema de sensor IoT, deixando engenheiros com escolhas limitadas de quais baterias adicionar aos seus sensores. Além disso, o tamanho, peso e dimensões da bateria frequentemente limitam a utilidade do sensor. Isso ocorre porque as características físicas da bateria podem restringir tanto os tipos de aplicações que um sensor pode realizar quanto quais outros componentes a bateria pode coexistir na placa do sensor, bem como onde pode ser implantado (com locais embutidos fora dos limites devido a trocas de bateria necessárias).

Possíveis riscos de segurança e danos ambientais
Institutos Nacionais de Saúde dos EUA (NIH) relatam que baterias de lítio comumente usadas em sensores IoT "podem contribuir substancialmente para poluição ambiental e impactos adversos à saúde humana, devido a materiais potencialmente tóxicos."

A implantação contínua de dispositivos IoT alimentados por bateria ao redor do mundo – particularmente se esses dispositivos forem lançados aos bilhões ou dezenas de bilhões como previsto – é especialmente preocupante.

A Solução Sem Bateria
A solução para a revolução da Internet Industrial das Coisas (IIoT): um sistema ponta a ponta que reúne todos os componentes necessários para uma solução de sensoriamento pervasiva totalmente desenvolvida e ubíqua – construída em torno de sensores IoT sem fio que são totalmente autossuficientes.

Nova tecnologia patenteada de semicondutor central e rede sem fio permite que dispositivos operem a partir de níveis baixos de energia colhida ambientalmente, gerando energia suficiente para permitir suas operações de ultra-baixa potência indefinidamente. Os sensores operam continuamente e nunca precisarão de uma bateria.

A energia é colhida de várias fontes – incluindo luz solar interna de baixo nível, solar externa, efeito termoelétrico (capturando energia ambiente gerada a partir de 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 ambiente. Ao contrário de outros componentes eletrônicos "baixa potência", mas de propósito único, que utilizam colheita de energia, novos dispositivos de sensores completos não apenas podem coletar uma variedade de dados usando múltiplos sensores, mas também processar, analisar e transmitir esses dados sem fio – tudo no mesmo orçamento de energia sem bateria.

Pense em sistemas autossuficientes como "sensores para sempre", porque podem ser implantados sem preocupação com inspeção física para manutenção ou verificação de nível de bateria.

O problema da bateria dificultou a adoção da Internet Industrial das Coisas (IIoT) e privou empresas industriais de benefícios significativos, como capacidades de sensoriamento pervasivo que podem gerar inteligência acionável nunca antes acessível. A solução é uma plataforma de sensoriamento pervasivo full-stack integrada onde todo o ambiente – sensor físico, funcionalidade de captura e processamento de dados, comunicação sem fio, plataforma de software de analytics e relatórios – é projetado para operar como um verdadeiro ecossistema. Essas inovações podem finalmente ajudar empresas a realizar os trilhões de dólares em valor prometidos pela IIoT.

Rafael Reyes é atualmente Diretor de Marketing de Produto na Everactive, uma empresa de tecnologia que combina sensores sem fio sem bateria e analytics em nuvem para entregar soluções IIoT ponta a ponta, onde ele impulsiona estratégias de go-to-market centradas no cliente para novos produtos e estratégia promocional para produtos existentes.
Rafael tem mais de 10 anos de experiência em marketing de produto e desenvolvimento de produto; combinado com 5 anos de experiência em Planejamento Estratégico e 5 anos de experiência em gestão de unidade de negócios, todos dentro de empresas B2C e B2B.