Batterijvrije sensoren aangedreven door energy harvesting drijven de volgende IoT-revolutie

Internet of Things (IoT)-adoptie is wereldwijd gegroeid, maar de snelle expansie introduceert complexe uitdagingen voor ingenieurs en beleidsmakers. Voorspellingen wijzen erop dat het mondiale IoT-netwerk tegen 2025 meer dan 75 miljard verbonden apparaten kan hosten, een cijfer dat de urgentie van robuuste, schaalbare oplossingen benadrukt.

Industrie-experts voorspellen een toekomst waarin miljoenen elektronische gadgets een geünificeerd communicatie-weefsel delen – typisch een draadloze link naar cloud-diensten. Om de explosieve data-eisen van dit ecosysteem te ondersteunen, zijn innovatieve sensor-technologieën essentieel.

"Ik geloof dat de volgende uitdagingen voor IoT gericht zullen zijn op het identificeren welke apparaten deel zullen uitmaken van de IoT. Alleen omdat het technisch mogelijk is om een slim apparaat te ontwerpen, betekent dat niet noodzakelijk dat er waarde is in het verbinden van elk apparaat met de IoT," zegt Greg Rice, Technical Marketing Manager bij ON Semiconductor.

Verbonden sensoren zullen cruciaal zijn in automotive, industriële automatisering, slimme huizen, consumentenelektronica, landbouw en mobiele gezondheid. Met een verwacht dagelijks verkeer van 125 exabytes tegen 2025, zal het efficiënt beheren van deze data-golf een kritieke struikelblok zijn.

Rice benadrukt dat het sturen van elke edge‑gegenereerde byte naar de cloud de netwerkinfrastructuur kan verstoppen. "Het kan efficiënter zijn om een aantal basale data-analyse en aggregatie aan de rand van de IoT uit te voeren, in plaats van alles door de cloud naar de kern van het netwerk te sturen," merkt hij op.

Energy harvesting is de sleutel tot het volhouden van de IoT's exponentiële groei. De primaire hindernissen zijn oogst-efficiëntie en apparaatbetrouwbaarheid. Oogst‑gevoede apparaten opereren vaak op minuscule energiebudgetten, wat ontwerpers dwingt om prestaties tegen verbruik af te wegen.

Een andere uitdaging ligt in de energiebron zelf. Zonne‑gevoede eenheden bloeien overdag maar struikelen 's nachts, terwijl RF‑geoogste apparaten een voldoende sterk elektromagnetisch veld vereisen. Het schalen van RF-velden ter ondersteuning van wijdverspreide oogst roept ook belangrijke gezondheidsrisico-overwegingen op die rigoureus beoordeeld moeten worden.

ON Semiconductor heeft een high‑tech, draadloze, batterijvrije sensor-suite geïntroduceerd – de Smart Passive Sensors™ (SPS)-familie – die temperatuur, druk, vocht en nabijheid aan de netwerkrand monitoren. Deze sensoren zijn ideaal voor remote of uitgebreide implementaties waar batterijvervanging impractisch is.

De SPS-sensoren zijn batterijvrije, microprocessor‑vrije RFID-tags die het industrie‑standaard UHF Gen 2-protocol gebruiken voor communicatie. Wanneer geïnterrogeerd door een RF-reader, oogst de tag energie uit het signaal, wat snelle en nauwkeurige metingen mogelijk maakt zonder een toegewezen energiebron.

Figuur 1: SPS-sensor functioneel blok

Rice legt uit, "Dit sensornetwerk is ontworpen om te werken met RF-energy harvesting. Een centrale sensor-hub transmiteert RF-vermogen via een aangesloten antenne, en de individuele sensor-knooppunten zijn draadloos en batterijvrij, opererend door het omringende RF-veld om te zetten in elektrisch vermogen."

Zoals getoond in Figuur 2, integreert elke sensor-hub een reader-module – die protocol‑specifieke communicatie afhandelt en ruwe data blootlegt (EPC, Temp, RSSI, Code, etc.) – en een verwerkingsmodule die de data aggregeert en formatteert voor verdere analyse. De hub ondersteunt Wi‑Fi, Ethernet, Bluetooth en andere protocollen om sensordata naar de cloud door te sturen.

Figuur 2: Sensor-hub blokdiagram

De algehele architectuur is afgebeeld in Figuur 3: de hub verzamelt data van meerdere sensoren en communiceert met andere apparaten via de cloud, wat nieuwe IoT-toepassingen mogelijk maakt.

Figuur 3: Sensor IoT-architectuur

In het hart van het sensoblok ligt de Magnus‑S2© Sensor IC van RF Micron, een UHF RFID-chip aangedreven door RF-energy harvesting van de UHF-reader. De Magnus‑S2 bevat een gepatenteerde self‑tuning Chameleon-engine die de RF-front‑end optimaliseert over variërende omgevingscondities. Het werkt in zowel FCC-gedefinieerde UHF als ETSI UHF-banden, wat een compacte, batterijvrije oplossing levert die gemakkelijk in grootte‑beperkte toepassingen past.

De SPS-familie omvat:

• Temperatuursensoren voor passieve sensing op metaal, non‑metaal en keramische oppervlakken – ideaal voor voorspellend onderhoud in datacenters en industriële omgevingen.
• Vochtsensoren voor passieve detectie op kunststof, hout, keramiek, grond en pleister – nuttig voor lekkagedetectie en kwaliteitscontrole.
• Vloeistof‑niveausensoren die passief vloeistof door dunne plastic oppervlakken voelen.

Met het aantal verbonden apparaten dat stijgt, hangt het succes van de IoT af van sensorprestaties en -mogelijkheden. Batterijvrije, draadloze sensoren die naadloos integreren met cloud-analytics, maken slimmere monitoring mogelijk over datacenters, industriële maintenance, bouw, energie-distributie, koude-keten-logistiek, digitale landbouw en gezondheidszorg.

>> Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op onze zus‑site, Power Electronics News.