Energía Inalámbrica RF Impulsa la Adopción Universal de Redes de Sensores

Estamos en la era de una explosión de IA (inteligencia artificial). Todo —desde tu refrigerador hasta el cuenco de tu perro— se convertirá en parte de la red neuronal de IA. Los ingresos mundiales para el mercado de IA, incluyendo software, hardware y servicios, se prevé que crezcan un 16.4% interanual en 2021 hasta $327.5 mil millones, y para 2024 se espera que el mercado supere la marca de $500 mil millones.

Aunque estos números son impresionantes, la IA solo alcanzará su pleno potencial cuando pueda alimentarse con un flujo constante de datos de una multitud de fuentes diversas. Para recopilar datos a una tasa que permita una salida de IA de alto valor, necesitas una red de sensores ubicua en su lugar. Los sensores son las neuronas que disparan las sinapsis de la IA. Estas sinergias son imperativas para la frecuencia y calidad de la salida.

En los últimos años, los sensores han comenzado a dejar su huella como el marco del IoT. En 2022, se espera que los sensores de movimiento representen el 8.35% del mercado global de sensores habilitados para IoT. Los ingresos totales generados por el mercado de sensores habilitados se estima que alcancen $56 mil millones en 2022.

Las redes de sensores necesitan seguir expandiéndose para poder soportar verdaderamente la adopción y cumplimiento de IA de alto valor. Sin embargo, la expansión escalable de redes de sensores se ve frenada por las restricciones de colocación debido a la necesidad de acceso a energía. Entonces, ¿cómo podemos "mantener las luces encendidas y las neuronas disparando"?

Históricamente, los sensores se alimentan por cables y/o baterías. Sin embargo, ambas opciones tienen limitaciones. Los cables pueden ser costosos de tender y a menudo restrictivos —con límites en la longitud del cable y puntos potenciales de rotura. Las baterías tienen vida limitada; necesitan ser reemplazadas regularmente y se desechan cuando se agotan. En resumen, no son confiables para los ciclos de tiempo requeridos; son un coste repetitivo y son ambientalmente insostenibles.

Una Alternativa a la Energía Tradicional

Un sustituto para cables y baterías es la recolección de energía (capturar energía disponible). O carga inalámbrica (generar energía para alimentar un dispositivo inalámbricamente), que es el proceso donde la energía se deriva de fuentes de energía externas predecibles, se captura y almacena para aplicaciones que incluyen pequeños dispositivos autónomos inalámbricos como los usados en redes de sensores inalámbricos.

Hay muchos métodos de carga inalámbrica, que analizaremos brevemente:

• Vibración es el concepto de convertir energía de vibración en energía eléctrica. Este método solo es ideal para maquinaria que vibra.

• UV/IR la energía debe tener línea de visión directa entre el transmisor y el receptor para funcionar correctamente, cualquier obstrucción resulta en que no llegue energía al receptor.

• Qi es carga inductiva y ofrece vatios de potencia, pero solo para aplicaciones donde el transmisor y receptor están a pocos milímetros de distancia; la alineación del dispositivo es bastante restrictiva.

• Solar y eólica, en la mayoría de casos, deben estar en exteriores y por tanto pueden ser costosas de construir y también un poco limitadas en sus capacidades.

• Radiofrecuencia (RF) no requiere línea de visión directa, puede entregar energía en recintos herméticos, es de baja potencia (μW a mW) y es más versátil que los procesos mencionados anteriormente.

Redes de Sensores Inalámbricos

La tecnología de energía inalámbrica RF es única porque usa ondas electromagnéticas de radiofrecuencia en lugar de campos magnéticos para cargar un dispositivo. Un transmisor RF usa electrónica para generar una señal RF. La señal RF se envía a una antena, que transmite las ondas RF a un receptor incrustado dentro de un dispositivo, que las capta usando una antena. Luego se convierten en CC utilizable usando un chip incrustado. Esto alimenta el dispositivo o recarga la batería. La transferencia de energía inalámbrica RF puede describirse en campo lejano usando la conocida Ecuación de Friis. La ecuación nos muestra cómo la potencia transmitida, tipos de antenas y frecuencia de la señal RF impactan la potencia recibida a diferentes distancias.

La energía inalámbrica RF puede implementarse como un punto de carga donde múltiples dispositivos pueden alimentarse simultáneamente; como un haz RF que puede enviarse directamente hacia un dispositivo particular a varios metros del transmisor; o como un punto enfocado directamente frente al transmisor. Porque es un sistema de dos lados (transmitir y recibir), se puede diseñar una solución para la mayoría de aplicaciones. Una gran ventaja de la energía inalámbrica RF es que puede implementarse en una variedad de entornos y configuraciones diferentes, por ejemplo, instalaciones a gran escala como hoteles, complejos de oficinas y campus. La mayoría de las veces hay áreas desocupadas de un hotel, complejo de oficinas o campus, que no necesitan luces encendidas o sistemas de temperatura funcionando en estado estable. La capacidad de cambiar estas condiciones (no tener luces encendidas en ciertas habitaciones desocupadas y no tener el AC o sistema de calefacción encendido o funcionando menos a menudo) puede crear instalaciones ecológicas, mejorando la experiencia del usuario y proporcionando ahorros significativos.

Típicamente, las redes de sensores solo se integran cuando se diseña el edificio, o durante un esfuerzo de remodelación a gran escala, debido a la complejidad de implementación. Sin embargo, las redes de sensores inalámbricos (WSN) usando energía inalámbrica RF hacen la implementación mucho más fácil. No hay necesidad de tender cables, no hay necesidad de considerar problemas de batería. Una WSN permite sensores dedicados, espacialmente dispersos y sin restricciones para monitorear e informar las condiciones físicas del entorno y organizar los datos recopilados en una ubicación centralizada.

Hoy, las WSN aún dependen principalmente de energía de batería, que como se señaló, no es totalmente confiable ni preferible. Pero, la introducción de la mentalidad 'cortar los cables' de la tecnología WSN permite que la detección tenga lugar fuera de la vista y en lugares de difícil acceso. Integrar recolección de energía lleva la versatilidad de WSN un paso más allá al eliminar la interacción humana después de la instalación para que estos sistemas puedan operar de forma continua y confiable sin necesidad de mantenimiento. Además, aunque la recolección de energía añade un coste inicial, el ROI económico del mayor control es rápido, y la libertad de mantenimiento futuro (reemplazo de baterías) y eliminación tienen un efecto compuesto.

Fuera del monitoreo y control ambiental, otras formas en que esta tecnología puede aplicarse incluyen sistemas personales de escaneo de temperatura sin batería diseñados para ayudar con protocolos COVID-19, detección sin batería en cámaras de materiales peligrosos o contenedores de almacenamiento donde es peligroso para individuos estar cerca, e incluso seguimiento de temperatura de vacunas usando equipos RFID existentes —una práctica común en la mayoría de entornos médicos.

Demanda de WSN

A medida que aumenta la demanda de IA, también lo hará la demanda de WSN. Proyectos de investigación predicen que el mercado global de redes de sensores inalámbricos crecerá a una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) superior al 14% durante el período de pronóstico. Su tamaño puede inflarse a $1.5 mil millones para 2022. Las WSN son beneficiosas por muchas razones: son flexibles y adaptables, escalables, y pueden acomodar nuevos dispositivos en cualquier momento, y pueden ayudar con ahorros de costes ya que no hay costes de cableado.

La necesidad de WSN se verá en todas las áreas de negocio —desde retail hasta almacenes, instalaciones de fabricación y más allá. Incluso espacios públicos están utilizando WSN en semáforos, paradas de autobús, autopistas, cruces peatonales, etc. Los edificios de oficinas usan WSN para monitorear ubicaciones de empleados y rastreo de activos para ver dónde están las laptops dentro de un edificio. Desde termostatos inteligentes, cerraduras, persianas, luces y enchufes, parece que todo está conectado estos días, y a medida que veamos más dispositivos inteligentes aparecer, veremos consultas aún mayores para WSN. Serán la columna vertebral de las ciudades inteligentes del mañana.

Energía Inalámbrica RF

Aunque hay varias opciones para energía por aire, RF está entre las formas más confiables y escalables de transferencia de energía inalámbrica para entornos tanto interiores como exteriores. En general, la energía inalámbrica es más confiable que la recolección de energía, ya que es identificable y predecible. También es fácil integrar tecnología de carga inalámbrica RF ya que no está restringida por movimiento o colocación exacta, permitiéndole acomodar dispositivos que la inducción no puede.

La energía inalámbrica es la tecnología habilitadora del mañana. Nos dará la flexibilidad para desplegar WSN de una manera que podamos hacer el mañana más inteligente, seguro, verde y mejor.

Este artículo fue escrito por Charlie Goetz, Director Ejecutivo, Powercast (Pittsburgh, PA). Para más información, contacte al Sr. Goetz en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita JavaScript habilitado para verla.; o visite aquí .