Aufbau einer nachhaltigen vernetzten Welt mit Energierückgewinnungstechnologie

Das Internet der Dinge (IoT) ist eine der herausragendsten technologischen Entwicklungen der heutigen Zeit. Allerdings sind viele IoT-Geräte noch immer auf Batterien als Energiequelle angewiesen, und der Verbrauch von Batterien stellt erhebliche Herausforderungen dar, wenn es darum geht, eine nachhaltigere vernetzte Welt zu schaffen. Die Nutzung der Energierückgewinnungstechnologie zur Reduzierung der Batterienabhängigkeit ist zu einer zentralen Ausrichtung in IoT-Anwendungen geworden. Dieser Artikel stellt die Anwendung der Energierückgewinnungstechnologie in IoT-Geräten sowie die diesbezüglichen Lösungen vor, die von Silicon Labs und seinen Partnern entwickelt wurden.

Die Batterien-Herausforderung bei den Zielen für nachhaltige Entwicklung 

In der heutigen nachhaltigkeitsbewussten Welt bemühen sich Unternehmen, Verbraucher und Länder, den wachsenden Energiebedarf, der durch die zunehmende Urbanisierung angetrieben wird, zu bewältigen. Die Erreichung von Kohlenstoffneutralität ist zu einer Notwendigkeit geworden, was die Einführung technologischer Lösungen, die Abfall minimieren und energieeffiziente Vorteile bieten, unverzichtbar macht. IoT-Anwendungen stehen nun vor der Herausforderung, sich dieser Transformation anzupassen.    Denken wir an das IoT, stellen wir uns eine nahtlos vernetzte Welt vor, die von intelligenten, innovativen Geräten angetrieben wird. Was hält diese Geräte jedoch verbunden? Die einfache Antwort ist eine Energiequelle, in der Regel herkömmliche Batterien. Obwohl Batterien ihren Zweck erfüllen, bringen sie erhebliche Nachteile mit sich.    Statistiken zeigen, dass jährlich mehr als 15 Milliarden gebrauchte Batterien auf Deponien landen und dabei rund 900.000 Tonnen gefährlicher Abfälle freisetzen, die den Boden und das Grundwasser verschmutzen. Allein in den USA kauft ein durchschnittlicher Haushalt jedes Jahr mehr als 90 Batterien, die meisten davon halten weniger als ein Jahrzehnt. Bis 2025 wird erwartet, dass schätzungsweise 25 Milliarden IoT-Geräte in Betrieb sein werden, die täglich 6 Millionen Batterieaustausche erfordern.    Diese Zahlen verdeutlichen drei große Probleme mit herkömmlichen Batterien: unpraktische und unsachgemäße Entsorgung, ständige Austauschbedarfe und Skalierbarkeitsprobleme. Diese Mängel beeinträchtigen nicht nur die Funktionalität und Zuverlässigkeit von Geräten, sondern behindern auch den Übergang smarter IoT-Anwendungen hin zu einer batteriefreien, energieorientierten Zukunft. Um diese Herausforderungen zu bewältigen und die durch eine zunehmend vernetzte Welt verursachten Umweltgefahren zu verringern, ist eine neue Klasse vernetzter Geräte entstanden – die unter dem Begriff Ambient IoT bekannt ist.    Ambient IoT bezieht sich auf IoT-Geräte, die von natürlich verfügbaren Energiequellen wie magnetischen und elektrischen Feldern, Licht, Wärme, kinetischer Energie und Schall betrieben werden. Diese Methode der Energiegewinnung aus Umgebungsenergie macht Batterien in IoT-Geräten überflüssig.    Mit Ambient IoT können intelligente Geräte jetzt auf natürliche Energiequellen für Stromversorgung und Konnektivität zurückgreifen, anstatt auf herkömmliche Batterien angewiesen zu sein. Diese Quellen (z. B. Licht, Wärme, Bewegung) verlängern die Lebensdauer der Geräte und verringern gleichzeitig die Umweltbelastung durch Batterien erheblich. 

Innovative Wireless-System-on-Chip-Lösungen für die Energiegewinnung 

Silicon Labs ist führend in Innovation und IoT-Konnektivität, mit der Mission, Entwicklern die Möglichkeit zu geben, drahtlos verbundene Geräte zu schaffen, die Branchen transformieren, Volkswirtschaften fördern und Leben verbessern. Silicon Labs hat nun seine xG22-Serie von SoCs (System-on-Chip) optimiert, um Energiegewinnungsfunktionen (Energy Harvesting) zu integrieren. Die neue energieoptimierte xG22E SoC-Familie erfüllt alle Anforderungen an Energieeinsparung für IoT-Geräte.    Diese leistungsstarken MCUs verfügen über einen 8-ms-Power-on-Reset (PoR), der nur 150 Mikro-Joule (µJ) verbraucht, und eine EM4-Aufwachzeit von 1,83 Millisekunden mit einem Energieverbrauch von nur 16,6 µJ. Zusätzlich bieten sie eine hohe HF-Leistung, Mehrprotokollunterstützung und den Betrieb bei 2,4 GHz. Sie unterstützen auch verschiedene Energiequellen und Energiemanagementgeräte, was es den Nutzern ermöglicht, neue Batterietechnologien wie Superkondensatoren zu nutzen.    Nehmen wir zum Beispiel den EFR32xG22E: Er bietet ultra-schnellen, energieeffizienten Kaltstart, energiearmes Aufwachen aus dem Tiefschlaf und effiziente Energiemodusübergänge, die schädliche Stromspitzen reduzieren und Energiespeicherzellen schützen. Dies macht ihn zu einem der zuverlässigsten drahtlosen Long-Range-SoCs auf dem Markt.    Zu den häufigen Anwendungen der xG22E SoC gehören intelligente Haushaltsgeräte, Gaming-Elektronik und Smart Buildings. Zum Beispiel können in Zigbee-fähigen Smart-Home-Geräten wie Türen, Wasserhähnen und Schaltern Energiegewinnungsgeneratoren die Abhängigkeit von Batterien und die Austauschkosten eliminieren. In der Gaming-Elektronik erfordern solarbetriebene TV-Fernbedienungen und Computertastaturen für den Innenbereich energieeffiziente und kostengünstige Bluetooth-LE-SoCs. In Smart Buildings reduziert die kinetische Pulsgewinnung für batteriefreie Türknäufe und Lichtschaltersteuerungen mithilfe von xG22E Zigbee Green Power die Notwendigkeit häufiger Batteriewechsel. Weitere wichtige Anwendungen umfassen Reifendrucküberwachungssensoren, Asset-Tracking, elektronische Preisschilder (ESLs), industrielle Automatisierung, vorausschauende Wartung und Landwirtschaft.   

Innovative fortschrittliche Lösungen für Energy Harvesting Shield Kits 

Um Geräteherstellern bei der Entwicklung vollständiger Energy-Harvesting-Lösungen zu helfen, hat Silicon Labs eine Partnerschaft mit e-peas, einem führenden Anbieter von Power Management Integrated Circuits (PMICs), geschlossen, um ein hochmodernes Energy-Harvesting-Shield-Kit für das neue stromoptimierte xG22E Explorer Kit zu entwickeln.    Dieses Kit umfasst drei spezielle Shields, die passgenau auf die Explorer-Kit-Platine aufgesteckt werden können. Diese ist darauf optimiert, Stromlecks zu isolieren und externe Messungen zu erleichtern. Das erste Shield ermöglicht Experimente mit alternativen Batterietechnologien und Superkondensatoren. Das zweite Shield ist für kinetische/Puls-Energy-Harvesting-Anwendungen vorgesehen und verwendet den e-peas AEM00300. Diese Shields bieten mehrere Testpunkte für Debugging und die Messung des Stromverbrauchs. Das dritte Shield integriert den neuesten und fortschrittlichsten PMIC von e-peas, den AEM13920, und ermöglicht es Entwicklern, mit zwei Energy-Harvesting-Quellen gleichzeitig zu experimentieren.    Das Kit beinhaltet eine Reihe überarbeiteter Beispielanwendungen für Bluetooth und Zigbee Green Power sowie Anleitungen zur Konfiguration des PMIC und zur Optimierung des Codes für energieorientierte Entscheidungsprozesse.    Zum Beispiel ist das EFR32xG22E Explorer Kit eine äußerst kostengünstige Entwicklungs- und Evaluierungsplattform im kompakten Formfaktor, die für schnelles Prototyping und die Konzeptentwicklung von EFR32xG22E Bluetooth LE IoT-Anwendungen ausgelegt ist. Das Kit verfügt über eine USB-Schnittstelle, einen integrierten SEGGER-J-Link-Debugger, eine LED sowie eine Benutzer-Taste und unterstützt Hardware-Erweiterungsboards über einen mikroBus-Sockel und einen Qwiic-Anschluss. Diese Unterstützung für Hardware-Erweiterungen ermöglicht es Entwicklern, Anwendungen mit nahezu unbegrenzten Kombinationen von Standard-Boards von MIKROE, SparkFun, Adafruit und Seeed Studios zu erstellen und zu entwickeln. 

Wireless-SoC-Lösungen für geringen Stromverbrauch und hohe Übertragungseffizienz 

```html Die xG22E-SoC-Familie von Silicon Labs umfasst mehrere Produktlinien, wie die Serien EFR32BG22E, EFR32FG22E und EFR32MG22E. Nachfolgend sind die wichtigsten Merkmale dieser Produkte aufgeführt.    Zunächst bietet die EFR32BG22 Series 2 Bluetooth® Wireless SoC, einschließlich der EFR32BG22 und EFR32BG22E Bluetooth Low Energy (LE) Wireless SoC-Lösungen, eine leistungsstarke Option innerhalb der Wireless Gecko Series 2-Plattform. Diese Geräte wurden mit einem starken Fokus auf Energieeffizienz entwickelt und bieten branchenführende, ultra-niedrige Sende- und Empfangsleistungen. Der leistungsstarke, energieeffiziente Arm® Cortex®-M33-Kern ermöglicht eine herausragende Energieeffizienz und verlängert die Lebensdauer von Knopfzellenbatterien auf bis zu zehn Jahre. Während die BG22 energieeffiziente Anwendungen unterstützt, steigert die BG22E (wobei "E" für Energieeinsparung steht) die Batterielaufzeit zusätzlich und eignet sich für Designs, die ganz auf Batterien verzichten können. Die BG22- und BG22E-Serien von Silicon Labs sind marktführende SoC-Lösungen für Ambient IoT- oder Energy-Harvesting-Geräte. Zielanwendungen umfassen Bluetooth-Mesh-Energiespar-Knoten, intelligente Türschlösser, persönliche Gesundheits- und Fitnessgeräte. Auch Asset-Tracking-Tags, Beacons und Indoor-Navigation profitieren von den vielseitigen Bluetooth-Funktionen für den Empfangs- und Sendewinkel (Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD)) mit einer Genauigkeit von unter einem Meter.    Die EFR32FG22 Series 2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC, einschließlich der EFR32FG22 und EFR32FG22E, ist ebenfalls Teil der Wireless Gecko Series 2-Plattform. Die FG22-SoCs integrieren einen 38,4 MHz Arm® Cortex®-M33-Kern mit TrustZone und ein leistungsstarkes Funkmodul mit einer Empfangsempfindlichkeit von -102,3 dBm. Während die FG22 energieeffiziente Anwendungen unterstützt, erweitert die FG22E ("E" steht für Energieeinsparung) die Batterielebensdauer und unterstützt batterielose Designs. Dieses SoC kombiniert ultra-niedrige Sende- und Empfangsleistungen (8,2 mA TX bei +6 dBm, 3,6 mA RX), einen Tiefschlafmodus mit nur 1,2 µA und innovative stromsparende Funktionen wie RFSense, um branchenführende Energieeffizienz zu bieten. Es verlängert die Betriebsdauer von Produkten mit begrenzten Batterien oder Energy-Harvesting-Optionen, beispielsweise elektronischen Preisschildern und industriellen drahtlosen Sensorknoten.    Die EFR32MG22 Series 2 Zigbee SoC, einschließlich der EFR32MG22 und EFR32MG22E, ist eine weitere Lösung innerhalb der Wireless Gecko Series 2-Plattform. Die MG22-Serie bietet optimierte Zigbee-SoC-Lösungen mit einem leistungsstarken, energieeffizienten 76,8 MHz Arm® Cortex®-M33-Kern mit TrustZone. Während die MG22 energieeffiziente Anwendungen ermöglicht, verbessert die MG22E ("E" für Energieeinsparung) die Batterielebensdauer zusätzlich und unterstützt batteriefreie Designs. Das MG22-SoC kombiniert ultra-niedrige Sende- und Empfangsleistungen (8,2 mA TX bei +6 dBm, 3,9 mA RX), einen Tiefschlafmodus mit nur 1,4 µA und stromsparende Peripheriegeräte, um eine branchenführende energieeffiziente Lösung für Zigbee-Protokollanwendungen, einschließlich Green Power, zu bieten. IoT-Anwendungen umfassen smarte Haussensoren, Lichtsteuerungen sowie Gebäude- und Industrieautomatisierung.  ```

Fazit 

Während wir uns auf eine intelligentere und stärker vernetzte Zukunft zubewegen, spielt die Technologie der Energiegewinnung eine entscheidende Rolle. Indem allgegenwärtige Umgebungsenergie – wie Licht, Wärme, Vibration und RF – in Elektrizität umgewandelt wird, können wir die Abhängigkeit von konventionellen Energiequellen verringern, die Lebensdauer von Geräten verlängern, Batterieabfälle minimieren und echte kohlenstoffarme Nachhaltigkeit erreichen. Mit dem rasanten Wachstum von IoT-Geräten wird die Energiegewinnung zu einer kritischen Grundlage für ihren langfristigen, stabilen Betrieb werden. Die von Silicon Labs eingeführten SoC-Lösungen zur Energiegewinnung werden als unverzichtbare Bausteine beim Aufbau einer grüneren, effizienteren und resilienteren vernetzten Welt dienen.