Construyendo un mundo conectado sostenible con tecnología de recolección de energía

El Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés) es uno de los avances tecnológicos más destacados en la actualidad. Sin embargo, muchos dispositivos IoT aún dependen de baterías para su alimentación, y el consumo de estas plantea desafíos significativos para construir un mundo conectado más sostenible. Aprovechar la tecnología de recolección de energía para reducir la dependencia de las baterías se ha convertido en una dirección clave en las aplicaciones de IoT. Este artículo presenta la aplicación de la tecnología de recolección de energía en dispositivos IoT y las soluciones relacionadas desarrolladas por Silicon Labs y sus socios.

El desafío de las baterías en los objetivos de desarrollo sostenible 

En el mundo actual, cada vez más consciente de la sostenibilidad, empresas, consumidores y países se esfuerzan por abordar la creciente demanda de energía impulsada por la urbanización en aumento. Alcanzar la neutralidad de carbono se ha convertido en una prioridad, haciendo esencial adoptar soluciones tecnológicas que minimicen el desperdicio y ofrezcan beneficios en eficiencia energética. Las aplicaciones de IoT ahora se enfrentan al desafío de adaptarse a esta transformación.    Cuando pensamos en IoT, imaginamos un mundo perfectamente conectado impulsado por dispositivos inteligentes e innovadores. Pero, ¿qué mantiene a estos dispositivos conectados? La respuesta simple es una fuente de energía, típicamente, baterías tradicionales. Aunque las baterías cumplen su función, presentan inconvenientes significativos.    Las estadísticas revelan que más de 15 mil millones de baterías usadas terminan en vertederos cada año, liberando aproximadamente 900,000 toneladas de desechos peligrosos que contaminan el suelo y las aguas subterráneas. Solo en Estados Unidos, el hogar promedio compra más de 90 baterías al año, la mayoría de las cuales no duran ni una década. Para 2025, se estima que 25 mil millones de dispositivos IoT estarán en operación, requiriendo 6 millones de reemplazos de baterías al día.    Estas cifras resaltan tres problemas principales con las baterías tradicionales: prácticas de disposición inconvenientes e inadecuadas, necesidad constante de reemplazos y desafíos de escalabilidad. Estas deficiencias no solo afectan la funcionalidad y la confiabilidad de los dispositivos, sino que también dificultan la transición de las aplicaciones inteligentes de IoT hacia un futuro sin baterías y con mayor conciencia energética. Para abordar estos desafíos y mitigar las amenazas ambientales de un mundo cada vez más conectado, ha surgido una nueva clase de dispositivos conectados: colectivamente conocida como IoT Ambiental (Ambient IoT).    IoT Ambiental se refiere a dispositivos IoT alimentados por fuentes de energía disponibles de manera natural, como campos magnéticos y eléctricos, luz, calor, energía cinética y sonido. Este método de extraer energía operativa de fuentes ambientales elimina la necesidad de baterías en los dispositivos IoT.    Con IoT Ambiental, los dispositivos inteligentes ahora pueden depender de fuentes de energía natural para su funcionamiento y conectividad en lugar de baterías convencionales. Estas fuentes (por ejemplo, luz, calor, movimiento) extienden la vida útil de los dispositivos y reducen significativamente el impacto ambiental de las baterías. 

Soluciones innovadoras de sistema en chip inalámbrico para recolección de energía 

Silicon Labs es un líder en innovación y conectividad IoT, con la misión de empoderar a los desarrolladores para crear dispositivos conectados de manera inalámbrica que transformen industrias, impulsen economías y mejoren vidas. Silicon Labs ha optimizado ahora su serie xG22 de SoCs (System-on-Chip) para incorporar capacidades de recolección de energía. La nueva familia de SoCs xG22E optimizados para la energía satisface todas las necesidades de conservación de energía de los dispositivos IoT.    Estos MCU repletos de funciones cuentan con un Power-on-Reset (PoR) de 8 ms que consume solo 150 microjulios (µJ) y un tiempo de activación EM4 de 1.83 milisegundos con un consumo de energía de solo 16.6 µJ. Además, ofrecen un alto rendimiento RF, soporte multiprotocolo y funcionamiento en 2.4 GHz. También soportan múltiples fuentes de energía y dispositivos de gestión de energía, lo que permite a los usuarios explorar nuevas tecnologías de baterías, como los supercondensadores.    Tome el EFR32xG22E como ejemplo: ofrece un arranque en frío ultrarrápido y de baja energía, activaciones desde un sueño profundo de bajo consumo energético y transiciones eficientes entre modos de energía que mitigan picos de corriente perjudiciales y protegen las celdas de almacenamiento de energía, convirtiéndolo en uno de los SoCs inalámbricos de largo alcance más confiables del mercado.    Las aplicaciones comunes del SoC xG22E incluyen hogares y electrodomésticos inteligentes, dispositivos electrónicos para juegos y edificios inteligentes. Por ejemplo, en dispositivos inteligentes para el hogar habilitados para Zigbee, como puertas, grifos y interruptores, los generadores de recolección de energía pueden eliminar la dependencia de baterías y los costos de reemplazo. En dispositivos electrónicos para juegos, controles remotos de TV con energía solar para interiores y teclados de computadora requieren SoCs Bluetooth LE eficientes en energía y rentables. En edificios inteligentes, la recolección de energía cinética de pulsos para pomos de puertas y controles de interruptores de luz sin batería usando xG22E Zigbee Green Power reduce la necesidad de reemplazos frecuentes de baterías. Otras aplicaciones clave incluyen sensores de monitoreo de presión de neumáticos, rastreo de activos, etiquetas electrónicas de estantería (ESLs), automatización de fábricas, mantenimiento predictivo y agricultura.   

Soluciones innovadoras avanzadas de kits de escudo para recolección de energía 

Para ayudar a los fabricantes de dispositivos a construir soluciones completas de recolección de energía, Silicon Labs se ha asociado con e-peas, un proveedor líder de la industria de circuitos integrados de gestión de energía (PMICs), para co-desarrollar un kit de shields de recolección de energía de vanguardia para el nuevo Kit Explorador optimizado para consumo de energía xG22E.    Este kit incluye tres shields dedicados que se encajan perfectamente en la placa del Kit Explorador, que está optimizada para aislar fugas de energía y facilitar mediciones externas. El primer shield permite experimentar con químicas de baterías alternativas y supercondensadores. El segundo shield está dedicado a aplicaciones de recolección cinética/por impulso y utiliza el AEM00300 de e-peas. Estos shields proporcionan múltiples puntos de prueba para depuración y medición de consumo de energía. El tercer shield incorpora el PMIC más reciente y avanzado de e-peas, el AEM13920, permitiendo a los desarrolladores experimentar con dos fuentes de recolección de energía simultáneamente.    El kit incluye una serie de aplicaciones de muestra revisadas para Bluetooth y Zigbee Green Power, junto con instrucciones para configurar el PMIC y optimizar el código para la toma de decisiones basada en energía.    Por ejemplo, el Kit Explorador EFR32xG22E es una plataforma de desarrollo y evaluación de bajo costo y formato compacto, diseñada para la creación rápida de prototipos y conceptos de aplicaciones de IoT con Bluetooth LE EFR32xG22E. El kit cuenta con una interfaz USB, un depurador SEGGER J-Link integrado, un LED y botón de usuario, y soporte para placas de expansión de hardware a través de un conector mikroBus y un conector Qwiic. Este soporte para expansiones de hardware permite a los desarrolladores crear y prototipar aplicaciones utilizando combinaciones prácticamente infinitas de placas de terceros disponibles comercialmente de MIKROE, SparkFun, Adafruit y Seeed Studios. 

Soluciones SoC inalámbricas para bajo consumo de energía y alta eficiencia de transmisión 

La familia de SoC xG22E de Silicon Labs incluye múltiples líneas de productos, como las series EFR32BG22E, EFR32FG22E y EFR32MG22E. A continuación, se presentan las características clave de estos productos.    En primer lugar, el SoC inalámbrico Bluetooth® de la Serie 2 EFR32BG22, que incluye las soluciones de SoC inalámbrico Bluetooth Low Energy (LE) EFR32BG22 y EFR32BG22E, forma parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2. Estos dispositivos están diseñados con un fuerte enfoque en la eficiencia energética, ofreciendo una potencia de transmisión y recepción ultra-baja líder en su clase. El núcleo Arm® Cortex®-M33 de alto rendimiento y bajo consumo proporciona una eficiencia energética líder en la industria, extendiendo la vida útil de las baterías tipo moneda hasta diez años. Mientras que el BG22 permite aplicaciones energéticamente eficientes, el BG22E (donde "E" significa Conservación de Energía) mejora aún más la longevidad de las baterías y admite diseños que eliminan la necesidad de baterías por completo. Las series BG22 y BG22E de Silicon Labs son los SoC líderes en el mercado ideales para dispositivos IoT ambientales o de recolección de energía. Las aplicaciones objetivo incluyen nodos de bajo consumo para mallas Bluetooth, cerraduras inteligentes, dispositivos personales de salud y fitness. Etiquetas de rastreo de activos, balizas y navegación en interiores también se benefician de las capacidades versátiles de Bluetooth Angle of Arrival (AOA) y Angle of Departure (AOD) de los SoC, que ofrecen una precisión de ubicación inferior a un metro.    El SoC inalámbrico propietario de 2,4 GHz de la Serie 2 EFR32FG22, que incluye el EFR32FG22 y el EFR32FG22E, también forma parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2. El SoC FG22 integra un núcleo Arm® Cortex®-M33 de 38,4 MHz con TrustZone y un radio de alto rendimiento con una sensibilidad de recepción de -102,3 dBm. Mientras que el FG22 permite aplicaciones energéticamente eficientes, el FG22E ("E" para Conservación de Energía) extiende la vida útil de las baterías y admite diseños sin batería. Este SoC combina una potencia de transmisión y recepción ultra-baja (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,6 mA RX), un modo de sueño profundo de 1,2 µA y funciones innovadoras de bajo consumo como RFSense para ofrecer una eficiencia energética líder en la industria. Extiende la vida operativa de productos con opciones limitadas de batería o recolección de energía, como etiquetas electrónicas para estanterías y nodos de sensores inalámbricos industriales.    El SoC Zigbee de la Serie 2 EFR32MG22, que incluye el EFR32MG22 y el EFR32MG22E, es otra parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2. La serie MG22 ofrece soluciones optimizadas de SoC Zigbee, incorporando un núcleo Arm® Cortex®-M33 de alto rendimiento y bajo consumo de 76,8 MHz con TrustZone. Mientras que el MG22 permite aplicaciones energéticamente eficientes, el MG22E ("E" para Conservación de Energía) mejora la longevidad de las baterías y admite diseños sin batería. El SoC MG22 combina una potencia de transmisión y recepción ultra-baja (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,9 mA RX), un modo de sueño profundo de 1,4 µA y periféricos de bajo consumo para ofrecer una solución eficiente en términos de energía líder en la industria para aplicaciones del protocolo Zigbee, incluyendo Green Power. Las aplicaciones IoT incluyen sensores para hogares inteligentes, controles de iluminación y automatización industrial y de edificios. 

Conclusión 

A medida que avanzamos hacia un futuro más inteligente y conectado, la tecnología de recolección de energía está desempeñando un papel fundamental. Al convertir la energía ambiental ubicua - como la luz, el calor, la vibración y las ondas RF - en electricidad, podemos reducir la dependencia de las fuentes de energía tradicionales, extender la vida útil de los dispositivos, minimizar los desechos de baterías y lograr una verdadera sostenibilidad de bajas emisiones de carbono. Con el rápido crecimiento de los dispositivos IoT, la recolección de energía se convertirá en una base crítica para su operación estable y a largo plazo. Las soluciones SoC de recolección de energía introducidas por Silicon Labs serán componentes indispensables para construir un mundo conectado más verde, eficiente y resiliente.