Sensores autoalimentados: Eliminando la barrera de la batería para IoT ubicuo

27 de septiembre de 2021

Por qué los sensores autoalimentados son el cambio de juego

Equipar objetos con dispositivos de computación que les permitan transmitir datos por Internet ha prometido durante años revolucionar la forma en que operan las empresas y viven las personas. Y aunque el Internet de las Cosas (IoT) está claramente afectando nuestras vidas personales —a través de smartphones, termostatos conectados, rastreadores de fitness wearables, e incluso botellas de agua que monitorizan nuestros hábitos de bebida— ha sido más lento en alcanzar la ubicuidad de lo que los expertos predijeron, y mucho más lento de lo esperado en afianzarse entre empresas industriales.

El problema del trillón de baterías

En 2012, IBM predijo 1 billón de dispositivos conectados para 2015. El mundo no se acercó a ese número. Una de las implicaciones del pronóstico de billón de dispositivos de IBM es el volumen —eso son un billón de baterías necesarias para mantener esos billones de sensores IoT recopilando, analizando y enviando datos. La vida de la batería ha sido el foco de la mayor parte de la innovación hasta la fecha. Un artículo presentado en el Simposio de Kyoto 2017 sobre Circuitos VLSI describió nuevos métodos en los que la industria está trabajando para extender la vida de la batería para dispositivos IoT.

Asumamos que la industria eventualmente logra su objetivo de una vida útil de 10 años para la batería promedio de IoT. ¿Cuántas baterías necesitarían reemplazarse cada día en un mundo de un billón de dispositivos? La respuesta: 273.972.603. Peor aún, si la industria se queda corta de ese objetivo y entrega solo una vida útil de batería de dos años, eso significa que cada persona en el planeta (todos los 7.400 millones) está cambiando una batería cada cinco días.

No podemos reemplazar más de 1.000 millones de baterías cada día. Incluso en el mejor escenario, alimentar 1 billón de dispositivos IoT requeriría reemplazar 274 millones de baterías cada día. Y eso asumiendo que todas esas baterías alcancen sus expectativas de vida de 10 años. Claramente, este no es un plan factible.

¿Podemos reemplazar los primeros 137 millones de baterías antes del almuerzo?

Pongamos esto en términos del mundo real que reflejen cómo podrías aprovechar IoT en tu propio negocio.

Imagina que desplegaras 10.000 dispositivos IoT industriales en tus instalaciones —sensores estratégicamente colocados para transmitir datos en tiempo real sobre la salud y rendimiento de tus máquinas y equipos, para monitorizar temperatura y calidad del aire en varios sectores, para comprobar toxinas que podrían haber filtrado, para transmitir el estado de tu sistema de vapor, sistemas HVAC, y otra infraestructura vital.

Asumiendo una noción optimista de una vida media de 5 años en esas 10.000 baterías, tu equipo estaría reemplazando aproximadamente 2.000 baterías cada año, o unas 5 cada día (piensa en el problema del detector de humo doméstico, pero con esteroides). Dependiendo de los tipos de dispositivos de los que hablemos, las baterías en sí podrían costar desde unos pocos dólares hasta varios cientos de dólares cada una para reemplazar. Quizás aún más preocupante es que el coste de llegar a un sensor remoto para cambiar una batería es a menudo mucho mayor que el coste de la batería en sí.

Todo esto ayuda a explicar por qué, según un informe de 2017 citado por la Institución de Ingenieros Mecánicos, "Las baterías deben eliminarse para que el Internet de las Cosas prospere." Este es el problema más básico —la industria se centra en la vida de la batería en lugar de eliminar la dependencia de las baterías por completo.

5 razones por las que las baterías restringen despliegues IIoT rentables

Los sensores alimentados por batería requieren mantenimiento manual
El problema más obvio es que todas las baterías eventualmente necesitan ser reemplazadas. Como señalamos antes, el coste de acceder y reemplazar baterías muertas —porque tales procesos aún deben hacerse manualmente— es a menudo mucho mayor en recursos y horas-hombre que el coste de la nueva batería en sí. Esta necesidad de esfuerzo manual frecuente derrota inmediatamente el valor central de los sensores conectados.

Vidas útiles finitas pueden llevar a lagunas en datos críticos para la misión
La inevitabilidad de una batería muerta puede tener consecuencias más allá de los recursos marginales de mano de obra y capital requeridos para inspeccionar y reemplazar baterías. A menos que el equipo que supervisa los sensores IoT de una planta descubra una batería muerta inmediatamente y pueda salir rápidamente al sensor y reemplazarla, la planta perderá permanentemente cualquier dato que el sensor habría estado recopilando y transmitiendo en el interín. Para empeorar las cosas, las baterías se desgastan rápidamente en redes de sensores inalámbricos, incluso cuando se gestionan cuidadosamente.

Porque algunos de los sensores de una planta industrial registran y transmiten datos que son críticos para la seguridad y el cumplimiento, las baterías muriendo pueden crear peligros significativos para el negocio.

Para conservar la vida de la batería, los sensores a menudo se configuran para transmitir datos con menos frecuencia
Idealmente, un dispositivo IoT en una planta industrial —digamos, un sensor posicionado cerca de las operaciones químicas de la instalación para monitorizar continuamente la atmósfera en busca de fugas tóxicas— debería transmitir sus datos extremadamente frecuentemente. Actualizaciones varias veces por minuto son ideales.

Pero cada transmisión de datos consume energía. Así que, para extender la vida de la batería, muchos sensores IoT se configuran para transmitir datos mucho menos frecuentemente de lo ideal —a veces tan infrecuentemente como una vez cada 24 horas.

Esto puede dar a los operadores de una planta una imagen inexacta de los datos que un sensor está capturando.

Las dimensiones físicas pueden limitar la funcionalidad del sensor
Las baterías a menudo son la parte más grande de un sistema de sensor IoT, dejando a los ingenieros opciones limitadas de qué baterías añadir a sus sensores. Además, el tamaño, peso y dimensiones de la batería a menudo limitan la utilidad del sensor. Esto es porque las características físicas de la batería pueden restringir tanto los tipos de aplicaciones que un sensor puede realizar como qué otros componentes la batería puede coexistir en la placa del sensor, así como dónde puede ser desplegado (con ubicaciones embebidas fuera de límites debido a los cambios de batería requeridos).

Posibles riesgos de seguridad y daño ambiental
Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. informan que las baterías de litio comúnmente usadas en sensores IoT "pueden contribuir sustancialmente a la contaminación ambiental e impactos adversos en la salud humana, debido a materiales potencialmente tóxicos."

El despliegue continuado de dispositivos IoT alimentados por batería alrededor del mundo —particularmente si estos dispositivos se despliegan por miles de millones o decenas de miles de millones como se predice— es especialmente preocupante.

La solución sin baterías
La solución para la revolución del IoT Industrial: un sistema de extremo a extremo que reúne todos los componentes necesarios para una solución de detección ubicua totalmente desarrollada —construida alrededor de sensores IoT inalámbricos que son enteramente autoalimentados.

Nueva tecnología patentada de semiconductores centrales y redes inalámbricas permite a los dispositivos operar con bajos niveles de energía cosechada ambientalmente, generando suficiente energía para permitir sus operaciones de ultra-baja potencia indefinidamente. Los sensores operan continuamente y nunca necesitarán una batería.

La energía se cosecha de varias fuentes —incluyendo solar interior de bajo nivel, solar exterior, el efecto termoeléctrico (capturando energía ambiental generada por gradiente de temperatura), así como a través de la vibración de materiales piezoeléctricos (como ciertos cristales y cerámicas) e incluso de ondas de radio que viajan por el entorno. A diferencia de otros componentes electrónicos "baja potencia", pero de propósito único, que utilizan cosecha de energía, los nuevos dispositivos sensores completos no solo pueden recopilar una variedad de datos usando múltiples sensores, sino también procesar, analizar y transmitir esos datos inalámbricamente —todo con el mismo presupuesto de energía sin batería.

Piensa en sistemas autoalimentados como "sensores para siempre", porque pueden desplegarse sin preocuparse por inspeccionarlos físicamente para mantenimiento o comprobación de nivel de batería.

El problema de la batería ha obstaculizado la adopción del Internet de las Cosas Industrial (IIoT) y ha privado a las empresas industriales de beneficios significativos, como capacidades de detección pervasivas que pueden generar inteligencia accionable nunca antes accesible. La solución es una plataforma de detección pervasiva full-stack integrada donde todo el entorno —sensor físico, funcionalidad de captura y procesamiento de datos, comunicación inalámbrica, plataforma de software de analíticas y reportes— está diseñado para operar como un verdadero ecosistema. Estas innovaciones pueden finalmente ayudar a las empresas a realizar los billones de dólares en valor prometidos por el IIoT.

Rafael Reyes es actualmente el Director de Marketing de Producto en Everactive, una empresa tecnológica que combina sensores inalámbricos sin batería y analíticas cloud para ofrecer soluciones IIoT de extremo a extremo, donde impulsa estrategias de go-to-market centradas en el cliente para nuevos productos y la estrategia promocional para productos existentes.
Rafael tiene más de 10 años de experiencia en marketing de producto y desarrollo de producto; combinado con 5 años de experiencia en Planificación Estratégica y 5 años de experiencia en gestión de unidades de negocio, todo dentro de empresas B2C y B2B.