La recolección de energía ofrece importantes ventajas para el desarrollo y la mejora de la Internet de las cosas. Es un componente crítico para crear una clase mejorada de aplicaciones autónomas y móviles que pueden funcionar durante períodos de tiempo mucho más largos sin necesidad de cargar la batería. También permite ahorrar en costos, ya que posterga de manera significativa el reemplazo de la batería, lo que a menudo cuesta más que la batería en sí misma. Además, la recolección de energía es un elemento clave para llevar la inteligencia al límite y la IoT a un mundo de nuevos lugares y aplicaciones. Analog Devices puede ayudar a los emprendedores con las soluciones de recolección de energía a través del Programa de certificación de Arrow.
Cómo activar la energía en el nodo
Para comenzar, analizaremos la configuración de un sistema de recolección de energía. En primer lugar, un transductor de recolección de energía convierte la energía ambiental en energía recolectada. Luego, una unidad de administración de potencia (o PMU) convierte la energía recolectada en energía utilizable. El almacenamiento de energía es el tercer pilar en el diseño de generación y recolección de energía. El almacenamiento se utiliza como un búfer de energía a fin de recolectar energía para los requisitos de potencia del nodo del sensor, lo que incluye detección, procesamiento de datos y transmisión de radio.
Con el objetivo de diseñar con mayor eficacia un sistema autoalimentado, se recomienda empezar con un cálculo de la cantidad de energía que se puede recolectar a partir de la energía disponible. En el caso de los sistemas fotovoltaicos, se trata de la energía luminosa disponible. Si utiliza un recolector termoeléctrico, se necesita una medición del gradiente de temperatura que pueda desarrollarse, mientras que en el caso de recolección de vibraciones, se necesitan tanto el nivel de aceleración como la frecuencia de vibración para desarrollar un sistema autoalimentado eficaz. Se selecciona un tipo de recolector en función de la energía ambiental disponible. A continuación, entra en juego la ecuación de equilibrio energético. Para el diseño del nodo del sensor, se tiene en cuenta el cálculo de energía. Se emplean técnicas para el diseño de sistemas de potencia ultrabaja a fin de ajustar los requisitos de potencia del nodo del sensor. La definición del tamaño del recolector y el almacenamiento, junto con el diseño del nodo sensor tienden a ser un proceso iterativo.
Aún deben superarse algunas barreras al emplear esta nueva forma de tecnología. Las fuentes de energía intermitentes y de bajo nivel pueden afectar el momento y la cantidad de energía que se puede recolectar. Al mismo tiempo, la demanda de más características en el nodo y la transmisión de grandes volúmenes de datos consumen significativamente la potencia disponible.
Analog Devices ofrece soluciones de potencia ultrabaja que eliminan estas barreras, y esto permite ayudar a los ingenieros a diseñar y crear una nueva clase de aplicaciones de recolección de energía de alto rendimiento y baja potencia.
Analog Devices dispone de un conjunto de PMU que ofrecen una conversión de energía altamente eficiente y un uso del almacenamiento altamente optimizado, a la vez que consumen muy poca corriente cuando están inactivas. El regulador Boost ultrabajo ADP5091 (PMU) aprovecha de manera eficaz la luz ambiental "interior" y la convierte en energía. Ofrece conversiones eficaces (por solo 10 µW) con pérdidas inferiores a 1 µW. También aprovecha la detección de tensión en circuitos abiertos a fin de optimizar la extracción.
Otro modelo de PMU es el administrador de potencia y convertidor elevador de tensión ultrabaja LTC3109. El LTC3109 está diseñado para aplicaciones con fuentes de energía intermitentes y de bajo nivel, donde el requisito de baja tensión de entrada resulta crítico; por ejemplo, en generadores termoeléctricos, termopilas o pequeñas celdas solares.
El LTC3331 está diseñado para habilitar la recolección de modo múltiple desde dos fuentes, lo que permite recolectar energía adicional en un entorno en particular. Además, las fuentes de CC como celdas solares o generadores termoeléctricos pueden combinarse con un recolector piezoeléctrico de alta tensión para poder maximizar la energía recolectada.
Más allá de la recolección: Cómo activar la inteligencia en el nodo
En la actualidad, la industria experimenta un cambio de paradigma en los dispositivos de detección perimetral: los dispositivos de computación periférica de baja potencia están avanzando con más rapidez que los dispositivos de nube con la capacidad de ofrecer inteligencia y conectividad al perímetro. Como resultado, los datos recopilados desde múltiples entradas pueden fusionarse en un único procesador. Por ejemplo, un sistema de monitoreo de la calidad del aire exterior podría tener implementados varios sensores de gases y sensores de materia particulada en un nodo de sensor común.
Las ventajas de aprovechar los nodos perimetrales inteligentes son significativas. En primer lugar, con el filtrado inteligente y la toma de decisiones en el perímetro, se consume menos energía porque no existe la necesidad de transmitir gran cantidad de datos de alto consumo a la nube. También disminuye la latencia. Cuando se procesan datos en el nodo, es posible generar información significativa en un plazo más breve en lugar de enviar grandes cantidades de datos a la nube, donde se requiere más tiempo para organizar, analizar y ofrecer resultados.
Aplicaciones para ciudades inteligentes
Al reducir la necesidad de mantenimiento y reemplazo de la batería, la recolección de energía puede ofrecer detección inteligente en ubicaciones remotas o de difícil acceso dentro de las infraestructuras municipales. Por ejemplo, las vallas de contención para carreteras pueden equiparse con sensores ADXL372 que detectan impactos. Esa información puede procesarse a nivel local y luego, comunicarse a un agregador para alertar a los servicios de emergencias. De este modo, sería posible contar con la ayuda necesaria más pronto y, tal vez, salvar más vidas.
Además, con la tecnología de recolección de energía, es posible implementar múltiples sensores y procesadores en kilómetros de carretera sin necesidad de realizar las frecuentes y costosas tareas de mantenimiento de baterías.
La medición de los servicios públicos es otra área donde los nodos inteligentes pueden desempeñar un papel favorable. Mediante una red de malla equipada con medidores de radio de potencia ultrabaja, un solo camión puede recopilar datos de toda la red de medidores tan solo al pasar junto a uno. Esto puede reducir en gran medida las horas de mano de obra necesarias para recopilar información de facturación.
Aplicaciones para fábricas inteligentes
La detección de potencia ultrabaja también puede ofrecer beneficios para el monitoreo de las condiciones industriales. Cuando se combina el acelerómetro de ruido ultrabajo ADXL357 con el ADuCM3029 para procesamiento de nodos periféricos, es posible analizar los datos de las vibraciones mediante una FFT integrada y así, colaborar en el mantenimiento preventivo y detectar señales de advertencia. Esta información puede ayudar al personal de planta y de la fábrica a tomar medidas correctivas de manera anticipada para evitar fallas y costosos tiempos de inactividad.
Mientras que la computación en la nube recibe gran parte del enfoque en IoT, una cantidad cada vez más grande de emprendedores y desarrolladores de productos reconocen la potencia y el valor de recopilar y procesar la información perimetral. No obstante, cabe recordar que la detección masiva en entornos repletos de datos solo es posible cuando el costo para mantener estas soluciones de detección es bajo en comparación con el valor de los datos resultantes. El aspecto esencial en todo esto es la recolección y administración de la energía. La cartera de productos de sensores y microcontroladores de potencia ultrabaja de Analog Devices hace posible un procesamiento eficiente en el nodo, lo que a su vez permite que más sistemas de detección sean autoalimentados. Mediante el empleo de nodos de sensores autoalimentados en estos entornos, es posible lograr una solución con un bajo costo total de propiedad, lo que hace posible la detección en áreas que antes se consideraban poco prácticas y, en última instancia, esto resuelve algunos desafíos que no pudieron resolverse antes.