RF-Funkstrom treibt universelle Sensornetzwerk-Adoption voran

Wir befinden uns im Zeitalter einer KI-Explosion (künstliche Intelligenz). Alles – von Ihrem Kühlschrank bis zum Napf Ihres Hundes – wird Teil des KI-Neuronennetzwerks. Weltweite Umsätze für den KI-Markt, einschließlich Software, Hardware und Dienstleistungen, sollen 2021 um 16,4 Prozent im Jahresvergleich auf 327,5 Milliarden Dollar wachsen und bis 2024 die 500-Milliarden-Dollar-Marke überschreiten.

So beeindruckend diese Zahlen auch sind, KI wird ihr volles Potenzial nur entfalten, wenn sie mit einem konstanten Datenstrom aus einer Vielzahl diverser Quellen gefüttert werden kann. Um Daten in einer Rate zu sammeln, die hochwertige KI-Ergebnisse ermöglicht, benötigen Sie ein allgegenwärtiges Sensornetzwerk. Sensoren sind die Neuronen, die die KI-Synapsen feuern. Diese Synergien sind entscheidend für Frequenz und Qualität der Ausgabe.

In den letzten Jahren haben Sensoren begonnen, als Rahmen des IoT ihre Spuren zu hinterlassen. 2022 sollen Bewegungssensoren 8,35 Prozent des globalen IoT-fähigen Sensormarktes ausmachen. Der Gesamtumsatz des aktivierten Sensormarktes wird auf 56 Milliarden Dollar im Jahr 2022 geschätzt.

Sensornetzwerke müssen weiter expandieren, um die Adoption und Erfüllung hochwertiger KI wirklich zu unterstützen. Skalierbare Expansion von Sensornetzwerken wird jedoch durch Platzierungsbeschränkungen aufgrund der Notwendigkeit des Zugangs zu Strom behindert. Wie können wir also „die Lichter an und die Neuronen feuern“ halten?

Historisch werden Sensoren über Kabel und/oder Batterien mit Strom versorgt. Beide Optionen haben jedoch Einschränkungen. Kabel können teuer in der Verlegung sein und oft restriktiv – mit Begrenzungen der Kabellänge und potenziellen Bruchstellen. Batterien haben begrenzte Lebensdauer; sie müssen regelmäßig ausgetauscht werden und werden weggeworfen, wenn sie leer sind. Kurz gesagt, sie sind nicht zuverlässig für die erforderlichen Zeitzyklen; sie sind ein wiederkehrender Kostenfaktor und ökologisch nicht nachhaltig.

Alternative zur traditionellen Stromversorgung

Ein Ersatz für Kabel und Batterien ist Energy Harvesting (Einfang verfügbarer Energie). Oder kabelloses Laden (Erzeugung von Energie zum drahtlosen Betreiben eines Geräts), der Prozess, bei dem Energie aus vorhersehbaren externen Energiequellen gewonnen, eingefangen und für Anwendungen einschließlich kleiner drahtloser autonomer Geräte wie in drahtlosen Sensornetzwerken gespeichert wird.

Es gibt viele Methoden des kabellosen Ladens, die wir kurz betrachten:

• Vibration ist das Konzept der Umwandlung von Vibrationsenergie in elektrische Energie. Diese Methode eignet sich nur für Maschinen, die vibrieren.

• UV/IR Energie erfordert direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger, um ordnungsgemäß zu funktionieren; Hindernisse führen zu keiner Stromübertragung zum Empfänger.

• Qi ist induktives Laden und bietet Watt Leistung, ist aber nur für Anwendungen geeignet, bei denen Sender und Empfänger nur wenige Millimeter voneinander entfernt sind; Geräteausrichtung ist sehr restriktiv.

• Solar und Wind, in den meisten Fällen, müssen im Freien sein und können daher teuer im Aufbau und in ihren Fähigkeiten etwas begrenzt sein.

• Radiofrequenz (RF) erfordert keine direkte Sichtverbindung, kann Strom in wasserdichte Gehäuse liefern, ist niedrigleistig (µW bis mW) und vielseitiger als die zuvor genannten Verfahren.

Drahtlose Sensornetzwerke

RF-Funkstromtechnologie ist einzigartig, weil sie Radiowellen elektromagnetischer Wellen statt Magnetfelder zum Laden eines Geräts verwendet. Ein RF-Sender nutzt Elektronik, um ein RF-Signal zu erzeugen. Das RF-Signal wird an eine Antenne gesendet, die die RF-Wellen an einen im Gerät eingebetteten Empfänger überträgt, der sie mit einer Antenne aufnimmt. Sie werden dann mithilfe eines eingebetteten Chips in nutzbaren Gleichstrom umgewandelt. Dies versorgt das Gerät oder lädt den Akku. Die Übertragung von RF-Funkstrom kann im Fernfeld mit der bekannten Friis-Gleichung beschrieben werden. Die Gleichung zeigt, wie die gesendete Leistung, Antennentypen und Frequenz des RF-Signals die empfangene Leistung bei unterschiedlichen Entfernungen beeinflussen.

RF-Funkstrom kann als Ladespot implementiert werden, an dem mehrere Geräte gleichzeitig mit Strom versorgt werden können; als RF-Strahl, der direkt auf ein bestimmtes Gerät mehrere Meter vom Sender entfernt gerichtet werden kann; oder als fokussierter Spot direkt vor dem Sender. Da es ein zweiseitiges System (Senden und Empfangen) ist, kann eine Lösung für die meisten Anwendungen konzipiert werden. Ein großer Vorteil von RF-Funkstrom ist, dass er in einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungen und Konfigurationen implementiert werden kann, beispielsweise in großen Anlagen wie Hotels, Bürokomplexen und Campus. Meist gibt es ungenutzte Bereiche in einem Hotel, Bürokomplex oder Campus, die keine Beleuchtung oder Temperatursysteme im stationären Zustand benötigen. Die Möglichkeit, diese Bedingungen zu ändern (kein Licht in bestimmten ungenutzten Räumen und keine Klima- oder Heizungsanlage, die anspringt oder seltener läuft) kann umweltfreundliche Anlagen schaffen, die Benutzererfahrung verbessern und erhebliche Kosteneinsparungen bieten.

Typischerweise werden Sensornetzwerke nur bei der Gebäudegestaltung oder bei großen Umbauarbeiten integriert, aufgrund der Implementierungskomplexität. Drahtlose Sensornetzwerke (WSNs) mit RF-Funkstrom machen die Implementierung jedoch viel einfacher. Keine Kabelverlegung, keine Batterieprobleme. Ein WSN ermöglicht uneingeschränkte, räumlich verteilte und dedizierte Sensoren zur Überwachung und Berichterstattung der physikalischen Bedingungen der Umgebung und Organisation der gesammelten Daten an einem zentralen Ort.

Heute verlassen sich WSNs noch hauptsächlich auf Batteriestrom, was wie angemerkt nicht vollständig zuverlässig oder wünschenswert ist. Doch die Einführung der WSN-Technologie „Cut the Cords“-Mentalität ermöglicht Sensorik außerhalb des Sichtbereichs und an schwer zugänglichen Orten. Die Integration von Energy Harvesting bringt die WSN-Vielseitigkeit einen Schritt weiter, indem sie menschliche Interaktion nach der Installation entfernt, sodass diese Systeme zuverlässig kontinuierlich ohne Wartungsbedarf betrieben werden können. Darüber hinaus erhöht Energy Harvesting zwar die anfänglichen Investitionskosten, der wirtschaftliche ROI durch größere Kontrolle ist jedoch schnell, und die Freiheit von zukünftiger Wartung (Batteriewechsel) und Entsorgung hat einen sich verstärkenden Effekt.

Außerhalb von Umweltüberwachung und -steuerung können weitere Anwendungen dieser Technologie batterielose persönliche Temperaturscansysteme zur Unterstützung von COVID-19-Protokollen, batterielose Sensorik in Gefahrstoffkammern oder -behältern, wo es für Einzelpersonen gefährlich ist, sich aufzuhalten, und sogar Impfstofftemperaturverfolgung mit bestehender RFID-Ausrüstung umfassen – eine gängige Praxis in den meisten medizinischen Einrichtungen.

Nachfrage nach WSNs

Mit steigender Nachfrage nach KI wird auch die Nachfrage nach WSNs steigen. Forschungsprognosen sagen voraus, dass der globale Markt für drahtlose Sensornetzwerke mit einer CAGR (Compound Annual Growth Rate) von über 14 Prozent im Prognosezeitraum wachsen wird. Seine Größe kann bis 2022 auf 1,5 Milliarden Dollar anwachsen. WSNs sind aus vielen Gründen vorteilhaft: sie sind flexibel und anpassbar, skalierbar und können jederzeit neue Geräte aufnehmen, und können Kosteneinsparungen bringen, da keine Verkabelungskosten anfallen.

Der Bedarf an WSNs wird in allen Geschäftsbereichen sichtbar – vom Einzelhandel über Lagerhäuser, Fertigungsanlagen und darüber hinaus. Selbst öffentliche Räume nutzen WSNs in Ampeln, Bushaltestellen, Autobahnen, Fußgängerüberwegen usw. Bürogebäude nutzen WSNs zur Überwachung von Mitarbeiterstandorten sowie Asset-Tracking, um zu sehen, wo Laptops im Gebäude sind. Von smarten Thermostaten, Schlössern, Jalousien, Lichtern und Steckdosen scheint alles heutzutage vernetzt, und je mehr smarte Geräte auftauchen, desto größere Anfragen nach WSNs werden wir sehen. Sie werden das Rückgrat der Smart Cities von morgen sein.

RF-Funkstrom

Während es mehrere Optionen für Over-the-Air-Power gibt, ist RF unter den zuverlässigsten und skalierbarsten Formen der drahtlosen Stromübertragung für Innen- und Außenumgebungen. Im Allgemeinen ist drahtlose Stromversorgung zuverlässiger als Energy Harvesting, da sie identifizierbar und vorhersagbar ist. Sie lässt sich auch leicht integrieren, da RF-Funkladetechnologie nicht durch Bewegung oder exakte Platzierung eingeschränkt ist, was es ermöglicht, Geräte aufzunehmen, die Induktion nicht kann.

Drahtlose Stromversorgung ist die Ermöglichungstechnologie von morgen. Sie wird uns die Flexibilität geben, WSNs so einzusetzen, dass wir morgen intelligenter, sicherer, grüner und besser machen können.

Dieser Artikel wurde von Charlie Goetz, Chief Executive Officer, Powercast (Pittsburgh, PA) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Goetz unter dieser E-Mail-Adresse (JavaScript erforderlich); oder besuchen Sie hier .