Internet of Things gör att våra smarta prylar i hemmet och bärbara teknologier som våra smarta klockor kan kommunicera och fungera tillsammans. Kredit:Ponchai nakumpa via Pixabay
Strömhanteringssystem som skördar omgivande energi kommer att driva miljarder små enheter på Internet of Things.
Små internetanslutna elektroniska enheter blir överallt. Det så kallade Internet of Things (IoT) gör att smarta prylar i hemmet och bärbara teknologier som smarta klockor kan kommunicera och fungera tillsammans. IoT-enheter används i allt större utsträckning inom alla möjliga branscher för att driva sammankoppling och smart automation som en del av den "fjärde industriella revolutionen."
Den fjärde industriella revolutionen bygger på redan utbredd digital teknik som anslutna enheter, artificiell intelligens, robotik och 3D-utskrift. Det förväntas vara en betydande faktor för att revolutionera samhället, ekonomin och kulturen.
Dessa små, autonoma, sammankopplade och ofta trådlösa enheter spelar redan en nyckelroll i vår vardag genom att hjälpa till att göra oss mer resurs- och energieffektiva, organiserade, säkra, säkra och hälsosamma.
Det finns dock en viktig utmaning - hur man driver dessa små enheter. Det uppenbara svaret är "batterier". Men det är inte riktigt så enkelt.
Små enheter
Många av dessa enheter är för små för att använda ett batteri med lång livslängd och de är placerade på avlägsna eller svåråtkomliga platser – till exempel mitt i havet för att spåra en fraktcontainer eller överst i en spannmålssilo, övervakning nivåer av spannmål. Dessa typer av platser gör servicen på vissa IoT-enheter extremt utmanande och kommersiellt och logistiskt omöjlig.
Mike Hayes, chef för ICT för energieffektivitet vid Tyndall National Institute i Irland, sammanfattar marknadsplatsen. "Det förväntas att vi kommer att ha en biljon sensorer i världen till 2025," sa han, "det är tusen miljarder sensorer."
Den siffran är inte så galen som det först verkar, enligt Hayes, som är koordinator för EnABLES-projektet (European Infrastructure Powering the Internet of Things).
Om du tänker på sensorerna i tekniken som någon kan bära på sin person eller ha i sin bil, hem, kontor plus sensorerna inbäddade i infrastrukturen runt dem som vägar och järnvägar, kan du se var den siffran kommer ifrån, förklarade han .
"I den biljoner IoT-sensorvärld som förutspås för 2025 kommer vi att kasta över 100 miljoner batterier varje dag på soptippar om vi inte förlänger batteriets livslängd avsevärt," sa Hayes.
Batteritid
Deponi är inte det enda miljöproblemet. Vi måste också överväga var allt material för att tillverka batterierna ska komma ifrån. EnABLES-projektet uppmanar EU och industriledare att tänka på batteritiden från början när de designar IoT-enheter för att säkerställa att batterier inte begränsar enheternas livslängd.
"Vi behöver inte enheten för att hålla för evigt," sa Hayes. "Knepet är att du måste överleva applikationen du serverar. Om du till exempel vill övervaka en del av industriell utrustning vill du förmodligen att den ska hålla i fem till tio år. Och i vissa fall, om du gör en regelbunden service vart tredje år ändå, när batteriet räcker mer än tre eller fyra år är det förmodligen bra nog."
Även om många enheter har en livslängd på mer än 10 år, är batteritiden för trådlösa sensorer vanligtvis bara ett till två år.
Det första steget till längre batterilivslängd är att öka energin från batterier. Att minska strömförbrukningen för enheter kommer också att förlänga batteriet. Men EnABLES går ännu längre.
Projektet samlar 11 ledande europeiska forskningsinstitut. Tillsammans med andra intressenter arbetar EnABLES med att utveckla innovativa sätt att skörda små omgivande energier som ljus, värme och vibrationer.
Att skörda sådana energier kommer att förlänga batteriets livslängd ytterligare. Målet är att skapa självladdande batterier som håller längre eller i slutändan går autonomt.
Energiskördare
Omgivningsenergiskördare, som en liten vibrationsskördare eller inomhussolpanel, som producerar låga mängder ström (i milliwattområdet) kan avsevärt förlänga batteritiden för många enheter, enligt Hayes. Dessa inkluderar vardagliga föremål som klockor, radiofrekvensidentifiering (RFID)-taggar, hörapparater, koldioxiddetektorer och temperatur-, ljus- och fuktighetssensorer.
EnABLES designar också andra nyckelteknologier som behövs för små IoT-enheter. Projektet är inte nöjd med att förbättra energieffektiviteten, utan försöker också utveckla ett ramverk och standardiserade och driftskompatibla tekniker för dessa enheter.
En av de viktigaste utmaningarna med autonomt drivna IoT-verktyg är energihantering. Energikällan kan vara intermittent och på mycket låga nivåer (mikrowatt), och olika metoder för avverkning tillhandahåller olika former av kraft som kräver olika tekniker för att omvandla till el.
Stadigt sippra
Huw Davies, är verkställande direktör för Trameto, ett företag som utvecklar energihantering för piezoelektriska applikationer. Han påpekar att energi från fotovoltaiska enheter tenderar att komma i ett stadigt pip, medan energi från piezoelektriska enheter, som omvandlar omgivande energi från rörelser (vibrationer) till elektrisk energi, i allmänhet kommer i skurar.
"Du behöver ett sätt att lagra den energin lokalt i en butik innan den levereras till en last, så du måste ha sätt att hantera det," sa Davies.
Han är projektkoordinator för HarvestAll-projektet, som har utvecklat ett energiledningssystem för omgivande energi kallat OptiJoule.
OptiJoule arbetar med piezoelektriska material, solceller och termiska elektriska generatorer. Den kan fungera med vilken som helst av dessa källor på egen hand eller med flera energikällor samtidigt.
Målet är att göra det möjligt för autonoma sensorer att vara självförsörjande. I princip är det ganska enkelt. "Vad vi pratar om är sensorer med ultralåg effekt som tar några digitala mätningar", säger Davies. "Temperatur, luftfuktighet, tryck, vad det än är, med data från det som levereras till internet."
Integrerade kretsar
Den integrerade kretsenheten för energihantering HarvestAll justeras för att matcha de olika energiskördarna. Den tar den olika och intermittenta energin som skapas av dessa skördare och lagrar den, till exempel i ett batteri eller en kondensator, och hanterar sedan leveransen av en stadig uteffekt av energi till sensorn.
I likhet med EnABLES-projektet är tanken att skapa standardiserad teknik som kommer att möjliggöra snabb utveckling av lång batteritid/autonoma IoT-enheter i Europa och världen.
Davies sa att energiledningskretsen fungerar helt autonomt och automatiskt. Den är utformad så att den bara kan kopplas in i en energiskördare, eller en kombination av skördare, och en sensor. Som en ersättning för batteriet har det en betydande fördel, enligt Davies, eftersom "Det kommer bara att fungera." + Utforska vidare
