Energy Harvesting per dispositivi Edge IoT

I sensori o, meno frequentemente, gli attuatori collegati in modalità wireless a un dispositivo di aggregazione o a un gateway Internet sono gli endpoint IoT più comuni. Sono spesso impiegati in gran numero e sparsi in una vasta area geografica in scenari come smart city, industria intelligente o agricoltura smart. Il costo dell’esecuzione della manutenzione sul campo, come la sostituzione delle batterie scariche, è proibitivo. Inoltre, le batterie usate stanno diventando un onere ecologico sempre più inaccettabile.

Gli ingegneri possono prevenire la necessità di sostituire la batteria durante la progettazione di un endpoint fornendo energia sufficiente per sopravvivere alla durata prevista del dispositivo, che potrebbe essere un tempo molto lungo. A causa dei limiti delle dimensioni geometriche dei dispositivi, è spesso preferito un fattore di forma a bottone. L’installazione di una cella più grande può essere un’alternativa se l’energia immagazzinata non soddisfa i requisiti del sistema.

Un’altra opzione è riprogettare i circuiti per ridurre il consumo energetico complessivo del sistema al di sotto della carica disponibile. È possibile tuttavia che una delle due strategie, o una combinazione delle due, non riesca a raggiungere l’obiettivo.

La raccolta energia nell’ordine di microwatt o milliwatt catturata dall’ambiente circostante (micro energy harvesting), può fornire una quantità utile e potenzialmente inesauribile di energia elettrica. Questo può integrare o sostituire una cella primaria, a seconda dell’applicazione e dell’energia ambientale disponibile. Potrebbe essere possibile che l’energia raccolta e convertita alimenti direttamente i circuiti. D’altra parte, immagazzinare l’energia in un accumulatore fino a quando non è necessaria può essere un approccio più adatto.

In ogni caso è richiesta una fonte di energia ambientale adeguata, in grado di soddisfare le esigenze dell’applicazione. Tra i vari sottosistemi dell’endpoint IoT, la radio pone la domanda di energia più significativa. Può essere istruttivo analizzare i requisiti, per la progettazione e l’integrazione del sistema di raccolta dell’energia.

Consumo energetico del sottosistema radio

La scelta della tecnologia wireless più adatta per fornire la velocità di trasmissione dati e il raggio di comunicazione richiesti al minor consumo energetico possibile è fondamentale.

Se il sensore deve essere posizionato solo a breve distanza da un aggregatore o gateway come un hub o un router connesso a Internet o tramite una centrale telefonica locale, può essere adatta una tecnologia come Bluetooth, Zigbee o Wi-Fi, a seconda della velocità dati richiesta e anche dei vincoli di costo. In altri casi, ad esempio quando gli endpoint sono distribuiti su un’area geograficamente ampia, potrebbe essere necessaria una connessione LPWAN o cellulare. La Figura 1 confronta il consumo energetico, la velocità dati, la portata massima tipica e i costi relativi delle principali tecnologie utilizzate nelle applicazioni IoT.

Figura 1: Confronto tra le più diffuse tecnologie di comunicazione wireless IoT. (Fonte: BehrTech).

Per comprendere appieno gli effetti sulla domanda energetica complessiva del sistema, è necessario considerare anche il duty cycle. Applicazioni come gli smart meters implicano l’invio di piccoli pacchetti di dati alcune volte al giorno o ogni pochi giorni. Altri, come le telecamere di sicurezza, potrebbero dover inviare grandi quantità di dati frequentemente o continuamente.

A seconda dell’applicazione, il ciclo di lavoro può essere ridotto filtrando i dati localmente all’interno del sistema prima della trasmissione; una telecamera può essere dotata di un sensore di movimento per avviare la registrazione solo quando viene rilevata un’attività, oppure l’elaborazione delle immagini incorporata potrebbe scartare dati non interessanti. Naturalmente, l’energia necessaria per filtrare i dati deve essere confrontata con l’energia risparmiata riducendo il duty cycle, per garantire un netto beneficio.

Dopo aver acquisito una comprensione dell’energia e della potenza richieste dal sottosistema wireless, è quindi possibile valutare fonti ambientali idonee e tecnologie di micro energy harvesting.

Per l’articolo completo consultare l’originale al link:

https://www.powerelectronicsnews.com/energy-harvesting-for-edge-iot-devices/

Redazione Fare Elettronica