Energiewinning zorgt voor batterijloze omgevingssensoren

De acceptatie van Internet of Things (IoT) is wereldwijd enorm gegroeid, maar de snelheid van deze vooruitgang stelt de experts voor uitdagingen, die hun zorgen/angsten uiten over de toekomst ervan. Er wordt geschat dat in 2025 het aantal apparaten dat op het IoT-netwerk is aangesloten, het opmerkelijke aantal van 75 miljard eenheden zal overschrijden. Dit geeft geloof aan de zorgen van de professionals en de noodzaak om adequaat voorbereid te zijn, zodat de behaalde winsten niet verdwijnen.

IoT-specialisten voorzien nu al een scenario waarin een overvloed aan elektronische apparaten communiceren via een gemeenschappelijke interface, meestal weergegeven door een draadloze verbinding met de cloud. Het aantal apparaten dat is aangesloten op het IoT-netwerk groeit voortdurend, waardoor nieuwe sensortechnologieën nodig zullen zijn om de vraag naar gegevens te ondersteunen die worden gegenereerd door de explosieve groei van verbonden apparaten. Dit worden de volgende uitdagingen voor IoT.

“Ik geloof dat de volgende uitdagingen voor IoT zich zullen richten op het identificeren van welke apparaten deel zullen uitmaken van het IoT. Het feit dat het technisch mogelijk is om een ​​slim apparaat te ontwerpen, betekent niet noodzakelijkerwijs dat het waardevol is om elk apparaat verbonden te hebben met het IoT”, zegt Greg Rice, Technical Marketing Manager, ON Semiconductor.

Verbonden apparaten en sensoren zullen een belangrijke rol spelen op verschillende gebieden, waaronder auto's, industriële automatisering, slimme huizen, consumentencomputers, landbouw en mobiele gezondheid. Gedetailleerde, verzamelde en geaggregeerde gegevens zullen exponentieel groeien, wat zal leiden tot naar schatting 125 exabyte aan gegevens per dag in 2025. Het beheer van deze grote hoeveelheden gegevens die worden gegenereerd door apparaten die zijn verbonden met IoT, zal een zware uitdaging zijn.

Terwijl hij uitweidde over de uitdagingen en een weg vooruit bood, verklaarde Rice:"Als elk stukje data dat aan de rand van het IoT wordt gegenereerd, via de cloud wordt verzonden, kan dit leiden tot congestie in de netwerkinfrastructuur. Het is misschien efficiënter om wat basisgegevensanalyse en -aggregatie uit te voeren aan de rand van het IoT, in plaats van alles via de cloud naar de kern van het netwerk te sturen.”

Energie oogsten

Het oogsten van energie zal cruciaal zijn om de uitdagingen aan te gaan die worden geboden door de exponentiële groei van IoT-apparaten. Rice is van mening dat de uitdagingen bij het oogsten van energie zijn gericht op de efficiëntie van het oogsten van energie en de betrouwbaarheid van de apparaten die worden aangedreven door het oogsten van energie". Apparaten voor het oogsten van energie werken met zeer kleine hoeveelheden stroom, hun ontwerp is vaak een afweging tussen technische prestaties en een lager stroomverbruik. "Een uitdaging met apparaten die zijn ontworpen om te werken door middel van energiewinning, is het vinden van de juiste balans tussen deze afwegingen in het ontwerpproces", benadrukte Rice.

Een andere relevante uitdaging is de krachtbron voor het oogsten van energie. Overdag kan een apparaat op zonne-energie efficiënt werken door gebruik te maken van het beschikbare zonlicht. Hetzelfde kan echter niet gezegd worden van de werking 's nachts. Evenzo moeten apparaten die RF-vermogen gebruiken voor het oogsten van energie in de aanwezigheid zijn van een RF-veld met een bepaalde signaalsterkte. Als er meer RF-velden worden ingezet om apparaten voor het oogsten van energie te ondersteunen, moeten de bijbehorende gezondheidsrisico's zorgvuldig worden geëvalueerd.

Batterijloze sensoren

ON Semiconductors heeft een innovatieve draadloze en batterijloze reeks sensoren ontworpen voor het IoT-netwerk. De apparaatfamilie Smart Passive Sensors™ (SPS) maakt het bewaken van temperatuur, druk, vochtigheid of nabijheid aan de netwerkrand mogelijk. Omdat omgevingssensoren vaak worden ingezet op afgelegen locaties of in een groot gebied, zoals een fabriek of een gebouw, is het vaak vervangen van een batterij geen economisch haalbare operatie. Het oogsten van energie, met name RF-vermogen voor SPS-sensoren, kan aan deze eis voldoen. Zoals weergegeven in afbeelding 1 is elke SPS-sensor een batterijloze en microprocessorvrije RFID-sensortag met een antenneblok voor draadloze communicatie, via het industriestandaard UHF Gen 2-protocol, met een RFID-lezer. Wanneer een SPS-sensor wordt ondervraagd door een RF-lezer, gebruikt deze de energie die wordt ontvangen van het signaal, waardoor een snelle en nauwkeurige meting van de sensor wordt verkregen.

Figuur 1:Functieblok SPS-sensor

"Dit sensornetwerk is ontworpen om te werken met behulp van RF-energiewinning. Er is een centrale sensorhub die RF-vermogen verzendt via een aangesloten antenne. De individuele sensornodes zijn draadloos en batterijloos, en ze werken door de energie in het omringende RF-veld om te zetten in een stroombron voor de elektronica op de sensornodes”, legt Rice uit.

Zoals weergegeven in afbeelding 2, integreert elke sensorhub twee sleutelblokken:de leesmodule en de verwerkingsmodule. De leesmodule voert protocolspecifieke functies uit om met sensoren te communiceren en onbewerkte sensorgegevens (EPC, Temp, RSSI, Code, enz.) aan de verwerkingsmodule bloot te stellen. De verwerkingsmodule verzamelt en formatteert sensorgegevens voor aanvullende analyse. De connectiviteitsmogelijkheden van de sensorhub omvatten WiFi, Ethernet, Bluetooth en andere protocollen die geschikt zijn voor het verzenden van sensorgegevens naar de cloud voor verdere analyse, analyse en beslissingen.

Figuur 2:blokschema sensorhub

De algehele sensor-IoT-architectuur wordt weergegeven in figuur 3. De sensorhub verzamelt gegevens van meerdere sensoren en communiceert met andere verbonden apparaten via de cloud om IoT in nieuwe toepassingen en scenario's mogelijk te maken.

Figuur 3:de sensor IoT-architectuur

Het hart van het detectieblok is de Magnus-S2© Sensor IC van RF Micron, een UHF RFID-chip die wordt aangedreven door RF-energie die wordt geoogst van de UHF-lezer. De Magnus−S2 maakt gebruik van de gepatenteerde zelfstemmende Chameleon-engine die de RF-front-end aanpast om de prestaties in verschillende omgevingsomstandigheden te optimaliseren. Deze sensortags werken in ofwel de door de FCC gedefinieerde UHF-band of de ETSI UHF-band. Dankzij de kleine vormfactor en batterijloze mogelijkheden van slimme passieve sensoren kunnen ze worden ontworpen voor toepassingen waarbij grootte en toegankelijkheid belangrijk zijn.

De SPS-apparaatfamilie omvat:

• Temperatuursensoren, ontworpen voor passieve temperatuurmeting op metalen, niet-metalen en keramische oppervlakken. Toepassingen zijn onder meer voorspellend onderhoud in industrieën en datacenters;
• Vochtsensoren, ontworpen voor passieve detectie van vocht op verschillende oppervlakken of afgewerkte producten gemaakt van kunststof, hout, keramiek, aarde en gips. Toepassingen zijn onder meer vocht- of lekdetectie en kwaliteitscontrole in verschillende industriële contexten;
• Vloeistofniveausensoren ontworpen voor passieve detectie van vloeistof door dunne oppervlakken zoals plastic.

Conclusies

Het aantal apparaten dat is aangesloten op het IoT-netwerk groeit voortdurend, met toepassingen waarbij alle technologische sectoren betrokken zijn. Het succes en de expansie van de IoT-sector hangt strikt af van de kenmerken en prestaties van de betrokken sensoren. Nieuwe sensortechnologieën zijn nodig als aanvulling op traditionele sensornetwerken. Een batterijloze, draadloze sensor met cloudconnectiviteit maakt verbeterde bewaking van omgevingscondities in verschillende toepassingen mogelijk, zoals datacenters, industrieel voorspellend onderhoud, constructie en stroomvoorziening, koudeketen, digitale landbouw en slimme gezondheidszorg.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Electronics News.