La recolección de energía alimenta los sensores ambientales sin batería

La aceptabilidad de Internet de las cosas (IoT) ha crecido enormemente en todo el mundo; sin embargo, el ritmo de este progreso plantea desafíos a sus expertos, que expresan preocupaciones / temores sobre su futuro. Se ha estimado que para 2025, los dispositivos conectados a la red IoT pueden superar la notable cifra de 75 mil millones de unidades. Esto da crédito a las preocupaciones de los profesionales y a la necesidad de estar adecuadamente preparados para que los logros alcanzados no desaparezcan.

Los especialistas en IoT ya prevén un escenario en el que una gran cantidad de dispositivos electrónicos se comunican a través de una interfaz común, generalmente representada por una conexión inalámbrica a la nube. La cantidad de dispositivos conectados a la red de IoT crece continuamente, como resultado, se requerirán nuevas tecnologías de sensores para respaldar la demanda de datos generados por el crecimiento explosivo de los dispositivos conectados. Estos serán los próximos desafíos para IoT.

“Creo que los próximos desafíos para IoT se centrarán en identificar qué dispositivos formarán parte de IoT. El hecho de que sea técnicamente posible diseñar un dispositivo inteligente no significa necesariamente que valga la pena tener todos los dispositivos conectados al IoT ”, dijo Greg Rice, gerente de marketing técnico de ON Semiconductor.

Los dispositivos y sensores conectados desempeñarán un papel importante en varias áreas, incluida la automoción, la automatización industrial, los hogares inteligentes, la informática de consumo, la agricultura y la salud móvil. Los datos detectados, recopilados y agregados crecerán exponencialmente, lo que conducirá a un tráfico estimado de 125 exabytes de datos por día en 2025. Administrar estas grandes cantidades de datos generados por dispositivos conectados a IoT será un desafío difícil.

Al extenderse sobre los desafíos y ofrecer un camino a seguir, Rice afirmó que, “si cada bit de datos que se genera en el borde del IoT se envía a través de la nube, esto podría crear congestión en la infraestructura de red. Podría ser más eficiente realizar algunos análisis y agregación de datos básicos en el borde del IoT, en lugar de enviar todo a través de la nube al núcleo de la red ”.

Recolección de energía

La recolección de energía será crucial para enfrentar los desafíos que ofrece el crecimiento exponencial de los dispositivos IoT. Rice cree que los desafíos con la recolección de energía se centran en la eficiencia de la recolección de energía y la confiabilidad de los dispositivos que se alimentan mediante la recolección de energía ”. Los dispositivos para la recolección de energía operan con cantidades muy pequeñas de energía, su diseño es muchas veces una compensación entre el rendimiento técnico y el consumo de energía reducido. “Un desafío con los dispositivos diseñados para operar mediante la recolección de energía es encontrar el equilibrio adecuado de estas compensaciones en el proceso de diseño”, destacó Rice.

Otro desafío relevante es la fuente de energía para la recolección de energía. Durante las horas del día, un dispositivo que funciona con energía solar puede funcionar de manera eficiente aprovechando la luz solar disponible. Sin embargo, no se puede decir lo mismo de su funcionamiento nocturno. Del mismo modo, los dispositivos que utilizan potencia de RF para la recolección de energía deben estar en presencia de un campo de RF con una cierta intensidad de señal. En caso de que se desplieguen más campos de RF para admitir dispositivos de recolección de energía, se evaluarán cuidadosamente los riesgos para la salud asociados.

Sensores sin batería

ON Semiconductors ha diseñado un innovador conjunto de sensores inalámbricos y sin batería para la red de IoT. La familia de dispositivos Smart Passive Sensors ™ (SPS) permite el monitoreo de temperatura, presión, humedad o proximidad en el borde de la red. Dado que los sensores ambientales a menudo se implementan en ubicaciones remotas o en un área amplia, como una fábrica o un edificio, cambiar una batería con frecuencia no es una operación económicamente viable. La recolección de energía, particularmente la potencia de RF para los sensores SPS, puede cumplir con este requisito. Como se muestra en la Figura 1, cada sensor SPS es una etiqueta de sensor RFID sin batería y sin microprocesador con un bloque de antena para comunicación inalámbrica, a través del protocolo UHF Gen 2 estándar de la industria, con un lector RFID. Cuando un sensor SPS es interrogado por un lector de RF, utiliza la energía recibida de la señal, proporcionando una lectura rápida y precisa del sensor.

Figura 1:Bloque funcional del sensor SPS

“Esta red de sensores está diseñada para funcionar utilizando la recolección de energía de RF. Hay un concentrador de sensor central que transmite potencia de RF a través de una antena conectada. Los nodos de sensores individuales son inalámbricos y no tienen batería, y operan convirtiendo la energía en el campo de RF circundante en una fuente de energía para la electrónica en los nodos de sensores ”, explicó Rice.

Como se muestra en la Figura 2, cada concentrador de sensores integra dos bloques clave:el módulo lector y el módulo de procesamiento. El módulo lector realiza funciones específicas del protocolo para comunicarse con los sensores y exponer los datos brutos del sensor (EPC, Temp, RSSI, Code, etc.) al módulo de procesamiento. El módulo de procesamiento agrega y formatea los datos del sensor para un análisis adicional. Las capacidades de conectividad del concentrador de sensores incluyen WiFi, Ethernet, Bluetooth y otros protocolos adecuados para enviar datos de sensores a la nube para su posterior análisis, análisis y decisiones.

Figura 2:diagrama de bloques del concentrador del sensor

La arquitectura general de IoT del sensor se muestra en la Figura 3. El concentrador de sensores recopila datos de varios sensores y se comunica con otros dispositivos conectados a través de la nube para habilitar IoT en nuevas aplicaciones y escenarios.

Figura 3:la arquitectura de IoT del sensor

En el corazón del bloque de detección se encuentra el sensor IC Magnus-S2 © de RF Micron, un chip RFID UHF que se alimenta mediante la recolección de energía RF del lector UHF. El Magnus − S2 utiliza el motor Chameleon de autoajuste patentado que adapta la parte frontal de RF para optimizar el rendimiento en diversas condiciones ambientales. Estas etiquetas de sensor funcionan en la banda UHF definida por la FCC o en la banda UHF ETSI. El factor de forma pequeño y las capacidades sin batería de los sensores pasivos inteligentes permiten que se diseñen en aplicaciones donde el tamaño y la accesibilidad son primordiales.

La familia de dispositivos SPS incluye:

• Sensores de temperatura, diseñados para la detección pasiva de temperatura en superficies metálicas, no metálicas y cerámicas. Las aplicaciones incluyen mantenimiento predictivo en industrias y centros de datos;
• Sensores de humedad, diseñados para la detección pasiva de humedad en varias superficies o productos terminados hechos de plástico, madera, cerámica, tierra y yeso. Las aplicaciones incluyen el nivel de humedad o la detección de fugas y el control de calidad en diferentes contextos industriales;
• Sensores de nivel de fluido diseñados para la detección pasiva de fluido a través de superficies delgadas como plásticos.

Conclusiones

La cantidad de dispositivos conectados a la red IoT crece constantemente, con aplicaciones que involucran a todos los sectores de la tecnología. El éxito y la expansión del sector de IoT depende estrictamente de las características y el rendimiento de los sensores involucrados. Se necesitan nuevas tecnologías de sensores para complementar las redes de sensores tradicionales. Un sensor inalámbrico sin batería con conectividad en la nube permite un monitoreo mejorado de las condiciones ambientales en diferentes aplicaciones, como centros de datos, mantenimiento predictivo industrial, construcción y energía, cadena de frío, agricultura digital y atención médica inteligente.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, Power Electronics News.