L'Energy Harvesting offre notevoli vantaggi per lo sviluppo e il miglioramento dell'Internet of Things. È un componente fondamentale per la creazione di una classe avanzata di applicazioni autonome e mobili che possono funzionare per periodi di tempo prolungati senza la necessità di ricaricare le batterie. Consente inoltre di risparmiare sui costi, ritardando notevolmente la sostituzione delle batterie, che spesso è più costosa delle batterie stesse. L'Energy Harvesting è un elemento chiave per spingere l'intelligenza al limite e portare l'IoT in un mondo di nuovi luoghi e applicazioni. Analog Devices può aiutare gli imprenditori con soluzioni di Energy Harvesting attraverso il Programma di certificazione Arrow.
Energia a livello di nodo
Per cominciare, esploriamo la configurazione di un sistema di Energy Harvesting. Innanzitutto, un trasduttore di Energy Harvesting converte l'energia dell'ambiente in energia raccolta. Dopodiché, un'unità di gestione della potenza, o PMU, converte l'energia raccolta in energia utilizzabile. L'accumulo di energia è il terzo pilastro nella progettazione della generazione di energia dell'Energy Harvesting. L'accumulo viene utilizzato come buffer di energia per raccogliere energia per i requisiti di alimentazione del nodo di sensori, tra cui il rilevamento, l'elaborazione dati e la trasmissione radio.
Per progettare in modo più efficace un sistema autoalimentato, è consigliabile iniziare con una stima della quantità di energia accumulabile dall'energia disponibile. Nel caso dei sistemi fotovoltaici, si tratta dell'energia luminosa disponibile. Se si utilizza un dispositivo di raccolta termoelettrico, è necessaria una misurazione del gradiente di temperatura che può essere sviluppato, mentre nel caso della raccolta di energia da vibrazioni, è necessario conoscere sia il livello di accelerazione che la frequenza delle vibrazioni per poter sviluppare un sistema autoalimentato efficace. Il tipo di dispositivo di raccolta viene selezionato in base all'energia dell'ambiente disponibile. Successivamente, entra in gioco l'equazione del bilancio energetico. Il nodo di sensori è progettato pensando al budget energetico. Tecniche di progettazione di sistemi a bassissima potenza sono utilizzate per ridurre il consumo energetico del nodo di sensori. Il dimensionamento del dispositivo di raccolta e dell'accumulo di energia e la progettazione del nodo di sensori tendono ad essere processi ripetitivi.
Vi sono ancora alcune barriere da superare quando si utilizza questa nuova forma di tecnologia. Le fonti di energia intermittenti e a basso livello di energia possono influire sulla quantità di energia raccolta e sul periodo di accumulo. Allo stesso tempo, la richiesta di ulteriori funzionalità a livello di nodo e la trasmissione di elevati volumi di dati generano un considerevole assorbimento dell'energia disponibile.
Analog Devices offre soluzioni a bassissimo consumo energetico che rimuovono queste barriere, per aiutare gli ingegneri a progettare e a creare una nuova classe di applicazioni di Energy Harvesting a elevate prestazioni e a consumo ridotto.
Analog Devices vanta una suite di PMU che offrono conversione di potenza altamente efficiente e un utilizzo ottimale dell'accumulo, il tutto con un consumo di corrente molto ridotto quando le unità sono inattive. Il regolatore boost a bassissimo consumo (PMU) ADP5091 raccoglie e converte in modo efficace la luce ambientale "interna". Offre una conversione efficiente (già da 10 μW) con perdite sub-μW. Sfrutta inoltre il rilevamento di tensione a circuito aperto per ottimizzare l'estrazione.
Un'altra PMU di questo tipo è il convertitore step-up a bassissima tensione e dispositivo di gestione dell'energia LTC3109. Il modello LTC3109 è progettato per applicazioni con fonti di alimentazione intermittenti e a basso livello di energia, in cui il requisito di bassa tensione in entrata è fondamentale, ad esempio i generatori termoelettrici, le termopile o le celle solari di piccole dimensioni.
Il modello LTC3331 è stato progettato per consentire la raccolta multimodale da due fonti, allo scopo di raccogliere energia supplementare in un ambiente specifico. Inoltre, le fonti CC, come le celle solari o i generatori termoelettrici, possono essere accoppiate a un dispositivo di raccolta piezoelettrico ad alta tensione per sfruttare al massimo l'energia raccolta.
Oltre la raccolta: intelligenza a livello di nodo
Attualmente, il settore sta attraversando una svolta storica per quanto riguarda i dispositivi di sensori edge: i dispositivi di elaborazione edge a basso consumo stanno avanzano più velocemente dei dispositivi cloud, con la capacità di portare intelligenza e connettività a livello periferico. Di conseguenza, i dati raccolti da più ingressi possono essere uniti in un singolo processore. Ad esempio, un sistema di monitoraggio della qualità dell'aria esterna potrebbe includere più sensori di gas e di particolato impiegati in un comune nodo di sensori.
I vantaggi offerti dall'utilizzo dei nodi edge intelligenti sono significativi. Innanzitutto, con il filtraggio intelligente e il processo decisionale a livello periferico, viene consumata meno energia poiché la trasmissione di dati ad uso intensivo di energia al cloud non è necessaria. Anche la latenza è ridotta. Quando le informazioni vengono elaborate a livello di nodo, è possibile produrre informazioni significative più velocemente rispetto all'invio di grandi quantità di dati al cloud dove è necessario più tempo per ordinare, analizzare e generare i risultati.
Applicazioni per smart city
Riducendo la necessità di manutenzione e sostituzione delle batterie, l'Energy Harvesting consente di portare il rilevamento intelligente in luoghi remoti o di difficile accesso all'interno delle infrastrutture cittadine. Ad esempio, i guardrail possono essere dotati di sensori ADXL372 in grado di rilevare un impatto. Queste informazioni possono essere elaborate a livello locale, quindi comunicate ad un aggregatore per avvisare i primi operatori di pronto intervento. In questo modo, è possibile prestare il soccorso necessario prima e forse salvare più vite.
Inoltre, con la tecnologia di Energy Harvesting, possono essere impiegati più sensori e processori su molti chilometri di strada senza la necessità di frequenti e costosi interventi di manutenzione delle batterie.
La misurazione dei servizi è un'altra area in cui i nodi intelligenti possono offrire molti vantaggi. Utilizzando una rete mesh dotata di contatori con radio a bassissima potenza, un singolo camion può raccogliere dati da tutta la rete di contatori semplicemente passando accanto a uno di essi. Ciò può ridurre notevolmente le ore di lavoro necessarie per raccogliere le informazioni di fatturazione.
Applicazioni per smart factory
Il rilevamento a bassissima potenza può inoltre offrire vantaggi per il monitoraggio delle condizioni industriali. Combinando l'accelerometro a bassissimo rumore ADXL357 e il modello ADuCM3029 per l'elaborazione del nodo edge, i dati delle vibrazioni vengono elaborati tramite una FFT integrata come ausilio nella manutenzione preventiva e per rilevale i segnali di avviso. Queste informazioni possono aiutare il personale di impianti e fabbriche a intraprendere il prima possibile le azioni correttive necessarie per evitare guasti e costosi tempi di fermo.
Mentre il cloud computing è oggetto di tutte le attenzioni nell'IoT, un numero crescente di imprenditori e sviluppatori di prodotti sta comprendendo il potere e il valore della raccolta e dell'elaborazione delle informazioni a livello periferico. È importante tuttavia ricordare che il rilevamento onnipresente in ambienti ricchi di dati è possibile solo quando i costi per mantenere tali soluzioni di rilevamento sono bassi rispetto al valore dei dati risultanti. Fondamentali in tal senso sono L'Energy Harvesting e la gestione. Il portafoglio di dispositivi di rilevamento e microcontroller a bassissimo consumo di Analog Devices consente un'elaborazione efficace a livello di nodo, che a sua volta permette l'autoalimentazione di un numero maggiore di sistemi di rilevamento. Utilizzando i nodi di sensori autoalimentati in questi ambienti, è possibile ottenere un basso costo totale di proprietà, rendendo possibile il rilevamento in aree precedentemente considerate impraticabili e in definitiva risolvendo problemi che non potevano essere risolti in precedenza.