La energía inalámbrica RF libera la ubicuidad de las redes de sensores

Estamos en la era de una explosión de IA (inteligencia artificial). Todo, desde su refrigerador hasta el plato de su perro, se convertirá en parte de la red de neuronas de IA. Se pronostica que los ingresos mundiales para el mercado de la IA, incluido el software, el hardware y los servicios, crecerán un 16,4 % año tras año en 2021 hasta los 327 500 millones de dólares, y para 2024 se espera que el mercado supere la marca de los 500 000 millones de dólares.

Si bien estos números son impresionantes, la IA solo alcanzará su máximo potencial cuando pueda alimentarse con un flujo constante de datos de una gran cantidad de fuentes diversas. Para recopilar datos a una velocidad que permita una salida de IA de alto valor, necesita una red de sensores ubicua en su lugar. Los sensores son las neuronas que activan las sinapsis de la IA. Estas sinergias son imprescindibles para la frecuencia y la calidad del resultado.

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 por ciento del mercado mundial de sensores habilitados para IoT. Se estima que los ingresos totales generados por el mercado de sensores habilitados alcanzarán los $56 mil millones en 2022.

Las redes de sensores deben continuar expandiéndose para poder respaldar verdaderamente la adopción y el cumplimiento de la IA de alto valor. Sin embargo, la expansión escalable de las redes de sensores se ve sofocada por las restricciones de ubicación debido a la necesidad de acceso a la energía. Entonces, ¿cómo podemos "mantener las luces encendidas y las neuronas funcionando?"

Históricamente, los sensores funcionan con cables y/o baterías. Sin embargo, ambas opciones tienen limitaciones. Los cables pueden ser costosos de ejecutar y, a menudo, restrictivos, con límites en la longitud del cable y la posibilidad de puntos de ruptura. Las baterías tienen una vida limitada; necesitan ser reemplazados regularmente y se desechan cuando se gastan. En resumen, no son confiables para los ciclos de tiempo requeridos; son un costo repetitivo y son ambientalmente insostenibles.

Una alternativa al poder tradicional

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

Hay muchos métodos de carga inalámbrica, que veremos brevemente:

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

• UV/IR la energía debe tener una línea de visión directa entre el transmisor y el receptor para que funcione correctamente; cualquier obstrucción hace que no llegue energía al receptor.

• Qi es de carga inductiva y ofrece vatios de potencia, pero es solo para aplicaciones en las que el transmisor y el receptor están separados unos milímetros; la alineación del dispositivo es bastante restrictiva.

• Solar y eólica, en la mayoría de los casos, debe estar al aire libre y, por lo tanto, puede ser costoso de construir y también puede ser un poco limitado en sus capacidades.

• Radiofrecuencia (RF) no requiere una línea de visión directa, puede suministrar energía a recintos impermeables, 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 utiliza ondas electromagnéticas de radiofrecuencia en lugar de campos magnéticos para cargar un dispositivo. Un transmisor de RF utiliza componentes electrónicos para generar una señal de RF. La señal de RF se envía a una antena, que transmite las ondas de RF a un receptor integrado en un dispositivo, que las capta mediante una antena. Luego se convierten en CC utilizables mediante un chip integrado. Esto alimenta el dispositivo o recarga la batería. La transferencia de energía inalámbrica de RF se puede describir en el campo lejano utilizando la conocida ecuación de Friis. La ecuación nos muestra cómo la potencia transmitida, los tipos de antenas y la frecuencia de la señal de RF afectan la potencia recibida a diferentes distancias.

La energía inalámbrica de RF se puede implementar como un punto de carga donde se pueden alimentar varios dispositivos simultáneamente; como un haz de RF que se puede enviar directamente hacia un dispositivo en particular a varios metros del transmisor; o como un punto enfocado directamente en frente del transmisor. Debido a que es un sistema de dos caras (transmisión y recepción), se puede diseñar una solución para la mayoría de las aplicaciones. Una gran ventaja de la energía inalámbrica de RF es que se puede implementar 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 que los sistemas de temperatura funcionen de manera estable. La capacidad de cambiar estas condiciones (que no se enciendan las luces en ciertas habitaciones desocupadas y que el aire acondicionado o el sistema de calefacción no se enciendan o funcionen con menos frecuencia) puede crear instalaciones ecológicas, mejorando la experiencia del usuario y proporcionando ahorros de costos significativos.

Por lo general, 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 la implementación. Sin embargo, las redes de sensores inalámbricos (WSN) que utilizan energía inalámbrica de RF facilitan mucho la implementación. No es necesario tender cables, no es necesario considerar los problemas de la batería. Una WSN habilita 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 en día, las WSN todavía dependen principalmente de la energía de la batería, que, como se señaló, no es del todo confiable o preferible. Sin embargo, la introducción de la mentalidad de "cortar los cables" de la tecnología WSN permite que la detección se lleve a cabo fuera de la vista y en lugares de difícil acceso. La integración de la 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 manera confiable y continua sin necesidad de mantenimiento. Además, si bien la recolección de energía agrega un costo inicial inicial, el ROI económico de un mayor control es rápido, y la libertad de mantenimiento futuro (reemplazo de la batería) y eliminación tiene un efecto combinado.

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

Demanda de WSN

A medida que aumenta la demanda de IA, también lo hará la demanda de WSN. La investigación proyecta que se espera que el mercado mundial de redes de sensores inalámbricos crezca a una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) superior al 14 por ciento durante el período de pronóstico. Su tamaño puede ascender a $1500 millones para 2022. Las WSN son beneficiosas por muchas razones:son flexibles y adaptables, son escalables y pueden acomodar nuevos dispositivos en cualquier momento, y pueden ayudar a ahorrar costos ya que no hay costos de cableado.

La necesidad de WSN se verá en todas las áreas comerciales, desde el comercio minorista hasta los almacenes, las instalaciones de fabricación y más. Incluso los espacios públicos utilizan WSN en semáforos, paradas de autobús, carreteras, cruces peatonales, etc. Los edificios de oficinas utilizan WSN para monitorear las ubicaciones de los empleados, así como el seguimiento de activos para ver dónde se encuentran las computadoras portátiles dentro de un edificio. Desde termostatos inteligentes, cerraduras, persianas, luces y enchufes, parece que todo está conectado en estos días, y a medida que veamos aparecer más dispositivos inteligentes, veremos consultas aún más grandes sobre WSN. Serán la columna vertebral de las ciudades inteligentes del mañana.

Potencia inalámbrica RF

Si bien existen varias opciones para la energía inalámbrica, la RF se encuentra entre las formas más confiables y escalables de transferencia de energía inalámbrica para entornos interiores y exteriores. En general, la energía inalámbrica es más confiable que la recolección de energía, ya que es identificable y predecible. También es fácil integrar la tecnología de carga inalámbrica RF, ya que no está restringida por el movimiento o la ubicación exacta, lo que le permite acomodar dispositivos que la inducción no puede.

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

Este artículo fue escrito por Charlie Goetz, director ejecutivo de Powercast (Pittsburgh, PA). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Goetz en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo.; o visita aquí .