Energy Harvesting versorgt batterielose Umweltsensoren

Die Akzeptanz des Internet der Dinge (IoT) ist weltweit enorm gestiegen, jedoch stellt die Geschwindigkeit dieses Fortschritts seine Experten vor Herausforderungen, die Bedenken/Befürchtungen über seine Zukunft äußern. Schätzungen zufolge werden bis 2025 die mit dem IoT-Netzwerk verbundenen Geräte die bemerkenswerte Zahl von 75 Milliarden Einheiten überschreiten. Dies gibt den Sorgen der Fachleute Glaubwürdigkeit und der Notwendigkeit, angemessen vorbereitet zu sein, damit die erzielten Gewinne nicht verschwinden.

IoT-Spezialisten sehen bereits ein Szenario voraus, in dem eine Vielzahl elektronischer Geräte über eine gemeinsame Schnittstelle kommunizieren, typischerweise repräsentiert durch eine drahtlose Verbindung zur Cloud. Die Zahl der mit dem IoT-Netzwerk verbundenen Geräte wächst kontinuierlich, daher werden neue Sensortechnologien benötigt, um den Datenbedarf zu decken, der durch das explosionsartige Wachstum vernetzter Geräte entsteht. Dies werden die nächsten Herausforderungen für das IoT sein.

„Ich glaube, dass sich die nächsten Herausforderungen für das IoT darauf konzentrieren werden, zu identifizieren, welche Geräte Teil des IoT sein werden. Nur weil es technisch möglich ist, ein intelligentes Gerät zu entwickeln, bedeutet dies nicht unbedingt, dass es von Vorteil ist, jedes Gerät mit dem IoT zu verbinden“, sagte Greg Rice, Technical Marketing Manager, ON Semiconductor.

Vernetzte Geräte und Sensoren werden in mehreren Bereichen eine wichtige Rolle spielen, darunter Automobil, Industrieautomation, Smart Home, Consumer Computing, Landwirtschaft und mobile Gesundheit. Die erfassten, gesammelten und aggregierten Daten werden exponentiell zunehmen, was 2025 zu einem geschätzten Datenverkehr von 125 Exabyte pro Tag führen wird. Die Verwaltung dieser großen Datenmengen, die von Geräten generiert werden, die mit dem IoT verbunden sind, wird eine große Herausforderung sein.

Rice erläutert die Herausforderungen und zeigt einen Weg nach vorne auf:„Wenn jedes Datenbit, das am Rand des IoT generiert wird, über die Cloud gesendet wird, kann dies zu einer Überlastung der Netzwerkinfrastruktur führen. Es könnte effizienter sein, einige grundlegende Datenanalysen und -aggregationen am Rand des IoT durchzuführen, anstatt alles über die Cloud an den Kern des Netzwerks zu senden.“

Energiegewinnung

Energy Harvesting wird entscheidend sein, um den Herausforderungen des exponentiellen Wachstums von IoT-Geräten zu begegnen. Rice ist der Ansicht, dass die Herausforderungen beim Energy Harvesting in der Effizienz des Power Harvesting und der Zuverlässigkeit der Geräte liegen, die durch Energy Harvesting betrieben werden.“ Geräte zum Energy Harvesting arbeiten mit sehr geringen Strommengen, ihr Design ist oft ein Kompromiss zwischen technischer Leistung und reduziertem Stromverbrauch. „Eine Herausforderung bei Geräten, die für den Betrieb durch Energy Harvesting entwickelt wurden, besteht darin, die richtige Balance zwischen diesen Kompromissen im Designprozess zu finden“, betonte Rice.

Eine weitere relevante Herausforderung ist die Energiequelle für das Energy Harvesting. Bei Tageslicht kann ein solarbetriebenes Gerät effizient arbeiten, indem es das verfügbare Sonnenlicht nutzt. Dies gilt jedoch nicht für den Nachtbetrieb. Ebenso müssen Geräte, die HF-Leistung für das Energy Harvesting verwenden, in einem HF-Feld mit einer bestimmten Signalstärke vorhanden sein. Falls mehr HF-Felder zur Unterstützung von Energy-Harvesting-Geräten eingesetzt werden, müssen die damit verbundenen Gesundheitsrisiken sorgfältig bewertet werden.

Batteriefreie Sensoren

ON Semiconductors hat eine innovative drahtlose und batterielose Sensorsuite für das IoT-Netzwerk entwickelt. Die Gerätefamilie Smart Passive Sensors™ (SPS) ermöglicht die Überwachung von Temperatur, Druck, Feuchtigkeit oder Nähe am Netzwerkrand. Da Umgebungssensoren oft an abgelegenen Orten oder auf einem weiten Gebiet wie einer Fabrik oder einem Gebäude eingesetzt werden, ist ein häufiger Batteriewechsel kein wirtschaftlich vertretbarer Vorgang. Energy Harvesting, insbesondere HF-Leistung für SPS-Sensoren, kann diese Anforderung erfüllen. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist jeder SPS-Sensor ein batterie- und mikroprozessorfreies RFID-Sensor-Tag mit einem Antennenblock für die drahtlose Kommunikation über das Industriestandard-UHF-Gen-2-Protokoll mit einem RFID-Lesegerät. Wenn ein SPS-Sensor von einem HF-Lesegerät abgefragt wird, verwendet es die vom Signal empfangene Energie und liefert eine schnelle und genaue Messung vom Sensor.

Abbildung 1:SPS-Sensor-Funktionsblock

„Dieses Sensornetzwerk ist so konzipiert, dass es mit RF-Energy-Harvesting arbeitet. Es gibt einen zentralen Sensor-Hub, der über eine angeschlossene Antenne HF-Leistung überträgt. Die einzelnen Sensorknoten sind drahtlos und batterielos und arbeiten, indem sie die Energie im umgebenden HF-Feld in eine Stromquelle für die Elektronik der Sensorknoten umwandeln“, erklärt Rice.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, integriert jeder Sensor-Hub zwei Schlüsselblöcke:das Lesemodul und das Verarbeitungsmodul. Das Lesemodul führt protokollspezifische Funktionen aus, um mit Sensoren zu kommunizieren und Sensorrohdaten (EPC, Temp, RSSI, Code usw.) dem Verarbeitungsmodul bereitzustellen. Das Verarbeitungsmodul aggregiert und formatiert Sensordaten für zusätzliche Analysen. Zu den Sensor-Hub-Konnektivitätsfunktionen gehören WLAN, Ethernet, Bluetooth und andere Protokolle, die sich zum Senden von Sensordaten an die Cloud für weitere Analysen, Analysen und Entscheidungen eignen.

Abbildung 2:Blockschaltbild des Sensor-Hub

Die gesamte Sensor-IoT-Architektur ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Sensor-Hub sammelt Daten von mehreren Sensoren und kommuniziert mit anderen verbundenen Geräten über die Cloud, um IoT in neuen Anwendungen und Szenarien zu ermöglichen.

Abbildung 3:Die Sensor-IoT-Architektur

Das Herzstück des Sensorblocks ist der Magnus-S2© Sensor-IC von RF Micron, ein UHF-RFID-Chip, der durch RF-Energy-Harvesting vom UHF-Lesegerät gespeist wird. Der Magnus−S2 verwendet die patentierte selbstabstimmende Chameleon−Engine, die das HF−Frontend anpasst, um die Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu optimieren. Diese Sensor-Tags funktionieren entweder im FCC-definierten UHF-Band oder im ETSI-UHF-Band. Der kleine Formfaktor und die batterielosen Fähigkeiten der intelligenten passiven Sensoren ermöglichen es, sie für Anwendungen zu entwickeln, bei denen Größe und Zugänglichkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Die SPS-Gerätefamilie umfasst:

• Temperatursensoren, entwickelt für die passive Temperaturerfassung auf Metall-, Nichtmetall- und Keramikoberflächen. Zu den Anwendungen gehören die vorausschauende Wartung in Industrien und Rechenzentren;
• Feuchtesensoren zur passiven Erfassung von Feuchtigkeit auf verschiedenen Oberflächen oder Fertigwaren aus Kunststoff, Holz, Keramik, Erde und Gips. Zu den Anwendungen gehören Feuchtigkeits- oder Leckerkennung und Qualitätskontrolle in verschiedenen industriellen Kontexten;
• Füllstandssensoren für die passive Erfassung von Flüssigkeiten durch dünne Oberflächen wie Kunststoffe.

Schlussfolgerungen

Die Zahl der an das IoT-Netzwerk angeschlossenen Geräte wächst ständig, mit Anwendungen in allen Technologiebereichen. Der Erfolg und die Expansion des IoT-Sektors hängen stark von den Eigenschaften und der Leistungsfähigkeit der beteiligten Sensoren ab. Neue Sensortechnologien werden benötigt, um traditionelle Sensornetzwerke zu ergänzen. Ein batterieloser, drahtloser Sensor mit Cloud-Konnektivität ermöglicht eine verbesserte Überwachung der Umgebungsbedingungen in verschiedenen Anwendungen wie Rechenzentren, industrielle vorausschauende Wartung, Bau und Energie, Kühlkette, digitale Landwirtschaft und intelligente Gesundheitsfürsorge.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite Power Electronics News.