Zelfsturende sensoren: De batterijbarrière elimineren voor ubiquitair IoT

27 september 2021

Waarom zelfsturende sensoren de Game-Changer zijn

Het uitrusten van objecten met rekenapparaten die hen in staat stelt data over het Internet te transmitteren, heeft jarenlang beloofd de manier waarop bedrijven opereren en individuen leven te revolutioneren. En hoewel het Internet of Things (IoT) duidelijk ons persoonlijke leven beïnvloedt – via smartphones, verbonden thermostaten, wearbare fitness-trackers, en zelfs waterflessen die onze drinkgewoontes monitoren – is het langzamer tot universaliteit gekomen dan experts voorspelden, en veel langzamer dan verwacht om voet te vatten bij industriële bedrijven.

Het Triljoen-Batterij-Probleem

In 2012, voorspelde IBM 1 triljoen verbonden apparaten in 2015. De wereld kwam niet in de buurt van dat nummer. Een van de implicaties van IBM's triljoen-apparaat-voorspelling is volume – dat is een triljoen batterijen nodig om die triljoen IoT-sensoren data te laten verzamelen, analyseren en versturen. Batterijlevensduur is de focus geweest van de meeste innovatie tot nu toe. Een paper gepresenteerd op het 2017 Kyoto Symposium on VLSI Circuits beschreef nieuwe methoden waar de industrie aan werkt om batterijlevensduur voor IoT-apparaten te verlengen.

Laten we aannemen dat de industrie uiteindelijk zijn doel bereikt van een 10-jarige levensduur voor de gemiddelde IoT-batterij. Hoeveel batterijen zouden elke dag vervangen moeten worden in een triljoen-apparaat-wereld? Het antwoord: 273.972.603. Nog erger, als de industrie tekortschiet bij dat doel en slechts een tweejaarlijkse batterijlevensduur levert, betekent dat dat iedere persoon op de planeet (alle 7,4 miljard) elke vijf dagen een batterij verwisselt.

We kunnen niet meer dan 1 miljard batterijen elke dag vervangen. Zelfs in een best-case-scenario, zou het stroomvoorzien van 1 triljoen IoT-apparaten het vervangen van 274 miljoen batterijen per dag vereisen. En dat assumptie dat die batterijen allemaal hun volle 10-jarige levensverwachting halen. Duidelijk is dit geen haalbaar plan.

Kunnen we de eerste 137 miljoen batterijen voor de lunch vervangen?

Laten we dit in real-world-termen zetten die reflecteren hoe u IoT in uw eigen bedrijf zou kunnen benutten.

Stel u voor dat u 10.000 Industriële IoT-apparaten over uw faciliteiten zou implementeren – sensoren strategisch geplaatst om realtime data over de gezondheid en prestaties van uw machines en apparatuur te transmitteren, om temperatuur en luchtkwaliteit in diverse sectoren te monitoren, om te controleren op toxiciteit die gelekt zou kunnen zijn, om de status van uw stoomsysteem, HVAC-systemen, en andere vitale infrastructuur door te geven.

Aannemend een optimistische gedachte van een 5-jarige gemiddelde levensduur in die 10.000 batterijen, zou uw team ruwweg 2.000 batterijen per jaar vervangen, of ongeveer 5 per dag (denk aan het huishoudelijk rookmeldertje-probleem, maar op steroïden). Afhankelijk van de typen apparaten waar we het over hebben, kunnen de batterijen zelf kosten van een paar dollar tot verschillende honderd dollar per stuk om te vervangen. Misschien nog meer zorgwekkend is dat de kosten om bij een remote sensor te komen om een batterij te wisselen, vaak veel hoger is dan de kosten van de batterij zelf.

Al dit helpt verklaren waarom, volgens een 2017-rapport geciteerd door de Institution of Mechanical Engineers, "Batterijen moeten geëlimineerd worden voor het Internet of Things te laten bloeien." Dit is het meest basale probleem – de industrie focust op batterijlevensduur in plaats van afhankelijkheid van batterijen volledig te elimineren.

5 Redenen Waarom Batterijen Kosteneffectieve IIoT-Implementaties Beperken

Batterij-aangedreven sensoren vereisen handmatig onderhoud
Het meest voor de hand liggende probleem is dat alle batterijen uiteindelijk vervangen moeten worden. Zoals we eerder wijzen, is de kosten van toegang tot en vervangen van lege batterijen – omdat dergelijke processen nog steeds handmatig moeten worden gedaan – vaak veel groter in resources en man-uren dan de kosten van de nieuwe batterij zelf. Deze behoefte aan frequente handmatige inspanning ondermijnt direct de kernwaarde van verbonden sensoren.

Eindige levensduur kan leiden tot gaten in missie-kritieke data
De onvermijdelijkheid van een lege batterij kan gevolgen hebben die verder gaan dan de marginale arbeids- en kapitaalresources die nodig zijn om batterijen te inspecteren en te vervangen. Tenzij het team dat een fabriek's IoT-sensoren toeziet, een lege batterij onmiddellijk ontdekt en snel naar de sensor kan gaan om het te vervangen, zal de fabriek permanent de data verliezen die de sensor zou hebben verzameld en getransmitteerd in de tussentijd. Om het erger te maken, slijten batterijen snel in draadloze sensornetwerken, zelfs als ze zorgvuldig beheerd worden.

Omdat sommige van een industriële fabriek's sensoren data opnemen en streamen die missie-kritiek zijn voor veiligheid en compliance, kunnen sterfende batterijen significante gevaren voor het bedrijf creëren.

Om batterijlevensduur te sparen, zijn sensoren vaak geconfigureerd om data minder frequenter te transmitteren
Ideaal zou een IoT-apparaat in een industriële fabriek – zeg, een sensor gepositioneerd bij de chemische operaties van de faciliteit om continu de atmosfeer te monitoren op giftige lekkages – zijn data extreem frequenter moeten transmitteren. Updates meerdere keren per minuut zijn ideaal.

Maar elke dataoverdracht verbruikt stroom. Om de batterijlevensduur te verlengen, zijn veel IoT-sensoren geconfigureerd om data veel minder frequenter te transmitteren dan ideaal zou zijn – soms zo zelden als één keer per 24 uur.

Dit kan de operatoren van een fabriek een onnauwkeurig beeld geven van de data die een sensor vastlegt.

Fysieke afmetingen kunnen sensorfunctionaliteit beperken
Batterijen zijn vaak het grootste deel van een IoT-sensorsysteem, wat ingenieurs beperkte keuzes laat voor welke batterijen ze aan hun sensoren toevoegen. Bovendien beperken de grootte, gewicht en afmetingen van de batterij vaak de bruikbaarheid van de sensor. Dit is omdat fysieke kenmerken van de batterij zowel de typen toepassingen die een sensor kan uitvoeren, als welke andere componenten de batterij kan coëxisteren met op het sensorbord, alsmede waar het geïmplementeerd kan worden (met ingesloten locaties off-limits vanwege vereiste batterijwissels) kunnen beperken.

Mogelijke veiligheidsrisico's en milieuschade
US National Institutes of Health (NIH) rapporten dat lithium-batterijen die veelvuldig in IoT-sensoren gebruikt worden "substantieel kunnen bijdragen aan milieubelasting en nadelige gezondheidseffecten bij mensen, door potentiëel giftige materialen."

Voortgezette implementatie van batterij-aangedreven IoT-apparaten over de hele wereld – met name als deze apparaten uitgerold worden door de miljarden of tientallen miljarden zoals voorspeld – is met name zorgwekkend.

De Batterijloze Oplossing
De oplossing voor de Industriële IoT-revolutie: een end-to-end-systeem dat alle benodigde componenten voor een volledig ontwikkelde en ubiquitair sensingsoplossing bijeenbrengt – gebouwd rond draadloze IoT-sensoren die volledig zelfsturende zijn.

Nieuwe gepatenteerde kern-semiconductor- en draadloze netwerktechnologie stelt apparaten in staat om te opereren van lage niveaus van omgevingsenergie, genoeg stroom genererend om hun ultra-lage-stroom-operaties onbeperkt te enable. De sensoren opereren continu en hebben nooit een batterij nodig.

Energie wordt geoogst uit verschillende bronnen – inclusief lage binnenhuis-zonaard, buitenhuis-zonaard, het thermo-elektrische effect (opvangen van omgevingsenergie gegenereerd uit temperatuurgradiënt), alsmede door de trilling van piezo-elektrische materialen (zoals bepaalde kristallen en keramieken) en zelfs van radiogolven die door het milieu reizen. In tegenstelling tot andere "lage-stroom", maar enkelvoudig-doel elektronische componenten die energy harvesting benutten, kunnen nieuwe complete sensorapparaten niet alleen een array van data verzamelen met meerdere sensoren, maar ook verwerken, analyseren, en die data draadloos transmitteren – allemaal op hetzelfde batterijloze stroombudget.

Zie zelfsturende systemen als "voor-eeuwige sensoren," omdat ze geïmplementeerd kunnen worden zonder zorgen over fysieke inspectie voor onderhoud of een batterij-niveau-check.

Het batterijprobleem heeft de adoptie van het Industriële Internet of Things (IIoT) gehinderd en industriële bedrijven onthouden van significante voordelen, zoals pervasieve sensemogelijkheden die actionable intelligentie kunnen genereren die nooit eerder toegankelijk was. De oplossing is een geïntegreerd, full-stack pervasieve-sensing-platform waar de gehele omgeving – fysieke sensor, data-opvang- en verwerkingsfunctionaliteit, draadloze communicatie, analytics- en rapportage-softwareplatform – is ontworpen om als een echt ecosysteem te opereren. Deze innovaties kunnen bedrijven eindelijk helpen de triljoenen dollars aan waarde te realiseren die beloofd worden door de IIoT.

Rafael Reyes is momenteel Director of Product Marketing bij Everactive, een technologiebedrijf dat batterijloze draadloze sensoren en cloud-analytics combineert om end-to-end Industriële IoT-oplossingen te levereren, waar hij klantgerichte go-to-market-strategieën voor nieuwe producten en promotiestrategieën voor bestaande producten drijft.
Rafael heeft meer dan 10 jaar ervaring in productmarketing en productontwikkeling; gecombineerd met 5 jaar ervaring in Strategische Planning en 5 jaar ervaring in Business Unit Management, allemaal binnen B2C- en B2B-ondernemingen.