Batterielose Sensoren durch Energy Harvesting treiben nächste IoT-Revolution

Internet of Things (IoT) Adoption ist weltweit gestiegen, doch die rasante Expansion bringt komplexe Herausforderungen für Ingenieure und politische Entscheidungsträger gleichermaßen. Prognosen deuten darauf hin, dass bis 2025 das globale IoT-Netzwerk über 75 Milliarden verbundene Geräte hosten könnte – eine Zahl, die die Dringlichkeit robuster, skalierbarer Lösungen unterstreicht.

Branchenexperten prophezeien eine Zukunft, in der Millionen elektronischer Gadgets ein einheitliches Kommunikationsgewebe teilen – typischerweise ein drahtloser Link zu Cloud-Services. Um die explosiven Datennachfragen dieses Ökosystems zu unterstützen, sind innovative Sensortechnologien essenziell.

„Ich glaube, die nächsten Herausforderungen für IoT werden darauf fokussiert sein, zu identifizieren, welche Geräte Teil des IoT sein werden. Nur weil es technisch möglich ist, ein smartes Gerät zu designen, bedeutet nicht zwingend, dass Wert darin liegt, jedes Gerät mit dem IoT zu verbinden“, sagt Greg Rice, Technical Marketing Manager bei ON Semiconductor.

Vernetzte Sensoren werden entscheidend sein in Automotive, Industrieller Automation, Smart Homes, Consumer Electronics, Landwirtschaft und Mobile Health. Mit prognostiziertem täglichen Traffic von 125 Exabytes bis 2025 wird effizientes Management dieser Datenflut eine kritische Hürde.

Rice betont, dass das Senden jedes am Edge generierten Bytes in die Cloud die Netzwerkinfrastruktur verstopfen kann. „Es könnte effizienter sein, grundlegende Datenanalyse und Aggregation am Edge des IoT durchzuführen, statt alles durch die Cloud zum Kern des Netzwerks zu senden“, merkt er an.

Energy Harvesting

Energy Harvesting ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung des exponentiellen IoT-Wachstums. Die primären Hürden sind Harvesting-Effizienz und Gerätezuverlässigkeit. Harvest-betriebene Geräte operieren oft auf winzigen Strombudgets, was Designer zwingt, Performance gegen Verbrauch abzuwägen.

Eine weitere Herausforderung liegt in der Stromquelle selbst. Solar-betriebene Einheiten gedeihen bei Tageslicht, versagen aber nachts, während RF-harvested Geräte ein hinreichend starkes elektromagnetisches Feld benötigen. Skalierung von RF-Feldern für weitverbreitetes Harvesting wirft auch wichtige Gesundheitsrisiko-Betrachtungen auf, die rigoros bewertet werden müssen.

Batterielose Sensoren

ON Semiconductor hat eine hochmoderne, drahtlose, batterielose Sensor-Suite vorgestellt – die Smart Passive Sensors™ (SPS) Familie – die Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und Nähe am Netzwerk-Edge überwacht. Diese Sensoren sind ideal für entfernte oder expansive Deployments, wo Batteriewechsel unpraktisch sind.

Die SPS-Sensoren sind batterielose, mikroprozessorfreie RFID-Tags, die das industrie-standard UHF Gen 2 Protokoll für Kommunikation nutzen. Wenn von einem RF-Reader interrogiert, erntet der Tag Energie aus dem Signal, was schnelle und präzise Messungen ohne dedizierte Stromquelle ermöglicht.

Abbildung 1: SPS Sensor Funktionsblock

Rice erklärt: „Dieses Sensornetzwerk ist für RF Energy Harvesting ausgelegt. Ein zentraler Sensor-Hub sendet RF-Leistung über eine angeschlossene Antenne, und die einzelnen Sensorknoten sind drahtlos und batterielos, betrieben durch Umwandlung des umgebenden RF-Feldes in elektrische Leistung.“

Wie in Abbildung 2 gezeigt, integriert jeder Sensor-Hub ein Reader-Modul – handhabt protokollspezifische Kommunikation und exponiert Rohdaten (EPC, Temp, RSSI, Code, etc.) – und ein Processing-Modul, das Daten aggregiert und für weitere Analyse formatiert. Der Hub unterstützt Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth und andere Protokolle, um Sensordaten in die Cloud zu leiten.

Abbildung 2: Sensor Hub Blockdiagramm

Die Gesamtarchitektur ist in Abbildung 3 dargestellt: Der Hub sammelt Daten von mehreren Sensoren und kommuniziert mit anderen Geräten via Cloud, was neue IoT-Applikationen ermöglicht.

Abbildung 3: Sensor IoT Architektur

Im Herzen des Sensing-Blocks liegt der Magnus-S2© Sensor IC von RF Micron, ein UHF RFID Chip, angetrieben durch RF Energy Harvesting vom UHF Reader. Der Magnus-S2 incorporiert eine patentierte Self-Tuning Chameleon Engine, die das RF-Frontend über variierende Umgebungsbedingungen optimiert. Er operiert in sowohl FCC-definierten UHF als auch ETSI UHF Bändern, liefert eine kompakte, batterielose Lösung, die leicht in platzbeschränkte Applikationen passt.

Die SPS Familie umfasst:

• Temperatursensoren für passives Sensing auf Metall, Nicht-Metall und Keramikoberflächen – ideal für Predictive Maintenance in Rechenzentren und industriellen Settings.
• Feuchtigkeitssensoren für passive Detektion auf Kunststoff, Holz, Keramik, Boden und Putz – nützlich für Leckdetektion und Qualitätskontrolle.
• Flüssigkeitsstandsensoren, die passiv Flüssigkeit durch dünne Kunststoffoberflächen erfassen.

Fazit

Mit stetig steigender Zahl verbundener Geräte hängt der IoT-Erfolg von Sensorleistung und -fähigkeiten ab. Batterielose, drahtlose Sensoren, die nahtlos mit Cloud-Analytik integrieren, befähigen smartes Monitoring across Rechenzentren, industrielle Wartung, Bauwesen, Energieverteilung, Cold-Chain-Logistik, digitale Landwirtschaft und Healthcare.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power Electronics News veröffentlicht.