Сбор энергии обеспечивает работу датчиков окружающей среды без батарей

Приемлемость Интернета вещей (IoT) чрезвычайно выросла во всем мире, однако скорость этого прогресса создает проблемы для его экспертов, которые выражают озабоченность / опасения по поводу его будущего. По оценкам, к 2025 году количество устройств, подключенных к сети IoT, может превысить впечатляющую цифру в 75 миллиардов единиц. Это вселяет уверенность в опасения профессионалов и необходимость их адекватной подготовки, чтобы достигнутые успехи не исчезли.

Специалисты по Интернету вещей уже предвидят сценарий, в котором множество электронных устройств взаимодействуют через общий интерфейс, обычно представленный беспроводным подключением к облаку. Количество устройств, подключенных к сети IoT, постоянно растет, в результате потребуются новые сенсорные технологии для поддержки спроса на данные, возникающего в результате стремительного роста подключенных устройств. Это будет следующая проблема для Интернета вещей.

«Я считаю, что следующие задачи для Интернета вещей будут сосредоточены вокруг определения того, какие устройства будут частью Интернета вещей. Просто потому, что технически возможно спроектировать интеллектуальное устройство, не обязательно означает, что есть смысл в том, чтобы каждое устройство было подключено к IoT », - сказал Грег Райс, менеджер по техническому маркетингу, ON Semiconductor.

Подключенные устройства и датчики будут играть важную роль в нескольких областях, включая автомобилестроение, промышленную автоматизацию, умные дома, потребительские вычисления, сельское хозяйство и мобильное здравоохранение. Обнаруженные, собранные и агрегированные данные будут расти экспоненциально, что приведет к расчетному объему трафика в 125 эксабайт данных в день в 2025 году. Управление этими большими объемами данных, генерируемых устройствами, подключенными к IoT, будет сложной задачей.

Рассказывая о проблемах и предлагая путь вперед, Райс заявила:«Если каждый бит данных, генерируемых на границе Интернета вещей, будет отправляться через облако, это может создать перегрузку в сетевой инфраструктуре. Возможно, было бы эффективнее выполнять базовый анализ и агрегацию данных на границе Интернета вещей, а не отправлять все через облако в ядро ​​сети ».

Сбор энергии

Сбор энергии будет иметь решающее значение для решения проблем, связанных с экспоненциальным ростом устройств IoT. Райс считает, что проблемы со сбором энергии связаны с эффективностью сбора энергии и надежностью устройств, которые питаются от сбора энергии ». Устройства для сбора энергии потребляют очень мало энергии, их конструкция во многих случаях является компромиссом между техническими характеристиками и сниженным энергопотреблением. «Проблема с устройствами, предназначенными для работы за счет сбора энергии, заключается в нахождении правильного баланса этих компромиссов в процессе проектирования», - подчеркнула Райс.

Еще одна актуальная проблема - это источник энергии для сбора энергии. В дневное время устройство на солнечной энергии может эффективно работать, используя доступный солнечный свет. Однако этого нельзя сказать о его работе в ночное время. Точно так же устройства, которые используют радиочастотную мощность для сбора энергии, должны находиться в присутствии радиочастотного поля с определенным уровнем сигнала. В случае использования большего количества радиочастотных полей для поддержки устройств сбора энергии необходимо тщательно оценить связанные с этим риски для здоровья.

Датчики без батарей

ON Semiconductors разработала инновационный набор беспроводных датчиков без батарей для сети IoT. Семейство устройств Smart Passive Sensors ™ (SPS) позволяет контролировать температуру, давление, влажность или близость на границе сети. Поскольку датчики окружающей среды часто устанавливаются в удаленных местах или на обширных территориях, таких как фабрика или здание, частая замена батареи не является экономически выгодной операцией. Сбор энергии, особенно ВЧ-мощности для датчиков SPS, может удовлетворить это требование. Как показано на Рисунке 1, каждый датчик SPS представляет собой RFID-метку без батарей и микропроцессора с антенным блоком для беспроводной связи через стандартный протокол UHF Gen 2 со считывателем RFID. Когда датчик SPS опрашивается RF-считывателем, он использует энергию, полученную от сигнала, обеспечивая быстрое и точное считывание с датчика.

Рис. 1. Функциональный блок датчика SPS

«Эта сенсорная сеть предназначена для работы с использованием радиочастотного сбора энергии. Есть центральный датчик-концентратор, который передает РЧ-мощность через подключенную антенну. Отдельные узлы датчиков являются беспроводными и не имеют батареек, и они работают, преобразуя энергию окружающего радиочастотного поля в источник питания для электроники узлов датчиков », - пояснила Райс.

Как показано на рисунке 2, каждый концентратор датчиков объединяет два ключевых блока:модуль считывания и модуль обработки. Модуль считывания выполняет специфические для протокола функции для связи с датчиками и предоставления необработанных данных датчиков (EPC, Temp, RSSI, Code и т. Д.) Модулю обработки. Модуль обработки собирает и форматирует данные датчиков для дополнительного анализа. Возможности подключения к концентратору датчиков включают Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth и другие протоколы, подходящие для отправки данных датчиков в облако для дальнейшего анализа, аналитики и принятия решений.

Рисунок 2:блок-схема концентратора датчика

Общая архитектура IoT датчиков показана на рисунке 3. Концентратор датчиков собирает данные от нескольких датчиков и обменивается данными с другими подключенными устройствами через облако, чтобы включить IoT в новых приложениях и сценариях.

Рис. 3. Архитектура сенсорного Интернета вещей

В основе сенсорного блока лежит микросхема датчика Magnus-S2 © от RF Micron, микросхема UHF RFID, которая питается за счет сбора энергии RF от считывающего устройства UHF. Magnus-S2 использует запатентованный самонастраивающийся двигатель Chameleon, который адаптирует интерфейс RF для оптимизации производительности в различных условиях окружающей среды. Эти сенсорные метки работают либо в диапазоне UHF, определенном FCC, либо в диапазоне ETSI UHF. Компактный форм-фактор и возможность работы без батареек интеллектуальных пассивных датчиков позволяют использовать их в приложениях, где размер и доступность имеют первостепенное значение.

Семейство устройств SPS включает:

• Датчики температуры, предназначенные для пассивного измерения температуры на металлических, неметаллических и керамических поверхностях. Приложения включают профилактическое обслуживание в отраслях и центрах обработки данных;
• Датчики влажности, предназначенные для пассивного измерения влажности на различных поверхностях или готовых изделиях из пластика, дерева, керамики, почвы и гипса. Приложения включают определение уровня влажности или утечек и контроль качества в различных промышленных условиях;
• Датчики уровня жидкости, предназначенные для пассивного измерения жидкости через тонкие поверхности, такие как пластмассы.

Выводы

Количество устройств, подключенных к сети IoT, постоянно растет, а приложения охватывают все отрасли технологий. Успех и расширение сектора Интернета вещей строго зависит от характеристик и производительности задействованных датчиков. Новые сенсорные технологии необходимы для дополнения традиционных сенсорных сетей. Беспроводной датчик без батареи с возможностью подключения к облаку обеспечивает расширенный мониторинг условий окружающей среды в различных приложениях, таких как центры обработки данных, промышленное профилактическое обслуживание, строительство и электроэнергетика, холодовая цепь, цифровое сельское хозяйство и интеллектуальное здравоохранение.

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт Power Electronics News.