Zasilanie urządzeń IoT energią wolnodostępną

W technice pozyskiwania energii wolnodostępnej (energy harvesting) wykorzystuje się jej źródła w otoczeniu odbiornika. Typowe komponenty węzła Internetu Rzeczy zasilanego w taki sposób to: przetwornik energii wolnodostępnej w energią elektryczną, jej zasobnik, na przykład akumulator albo superkondensator, konieczny, jeżeli energia pozyskiwana ze środowiska nie będzie wykorzystywana na bieżąco, w związku z czym wymaga magazynowania, układ zarządzania energią oraz smart czujnik IoT. Cechą charakterystyczną większości urządzeń Internetu Rzeczy jest bardzo mały pobór mocy – pod tym względem następuje ciągły postęp: węzły IoT są coraz inteligentniejsze i coraz mniejsze, co ogranicza straty energii. Dzięki temu przetwornik i zasobnik też cechuje kompaktowość.

Energia wolnodostępna może mieć różnoraką postać i różne źródła zewnętrzne. Przykładowe formy energii z otoczenia to: energia słoneczna, cieplna, przepływowa z wiatru i wody oraz fal radiowych.

Źródła zewnętrzne z kolei dzieli się na: mechaniczne (wibracje, ciśnienie, naprężenia) oraz ludzkie. Jeżeli chodzi o te ostatnie, to wyróżnić można szereg potencjalnych źródeł energii, w tym: ruchy stawów, ciepło ciała, oddychanie, mówienie czy uderzenia o podłoże przy chodzeniu. Przykładowo te pierwsze dzięki odbiornikowi wbudowanemu w opaskę na kolano mogą wygenerować nawet kilka watów mocy. Dostępne są oprócz tego m.in. przetworniki oddechu zasilającego miniturbiny wiatrowe oraz wibracji, których źródłem są struny głosowe.

Zalety...

Zasilanie węzłów IoT energią wolnodostępną z otoczenia ma wiele zalet w zestawieniu z zasilaniem przewodowym i bateryjnym. Przede wszystkim eliminuje zarówno konieczność doprowadzenia kabli zasilających, co upraszcza instalację – przykładowo opomiarowanie rurociągów nie wymaga prowadzenia kilometrów dodatkowych przewodów, jak i okresowej wymiany baterii. To zapewnia duże oszczędności, zwłaszcza jeżeli cyklicznie nie trzeba wymieniać tysięcy baterii oraz pozwala na montaż urządzeń Internetu Rzeczy w miejscach trudno dostępnych, w których konserwacja jest kosztowna, niebezpieczna albo nawet niemożliwa.

Przykład to maszyny i strefy zagrożone wybuchem w przemyśle i systemy monitorujące zwierzęta w gospodarstwach rolnych. Pozyskiwanie energii zasilającej z otoczenia jest oprócz tego atrakcyjną alternatywą w warunkach ekstremalnie niskich i wysokich temperatur, które negatywnie wpływają na baterie, powodując ich szybsze rozładowywanie się oraz starzenie się. To wymusza ich częstszą wymianę.

Ograniczenie liczby baterii wykorzystywanych do zasilania węzłów Internetu Rzeczy w związku z ich lawinowo rosnącą popularnością jest także korzystne dla środowiska naturalnego. Według IoT Analytics w 2022 liczba podłączonych urządzeń IoT zwiększyła się globalnie o 18%, a na 2023 rok prognozowany był dalszy wzrost o 16%, co łącznie oznaczałoby prawie 18 mld aktywnych węzłów Internetu Rzeczy. Z kolei EnABLES już w raporcie z 2021 ostrzegało, że do 2025 na całym świecie codziennie będzie wyrzucanych 78 milionów baterii zasilających urządzenia Internetu Rzeczy, o ile ich żywotność się radykalnie nie wydłuży.

...i ograniczenia

Zasilanie urządzeń Internetu Rzeczy energią wolnodostępną nie jest pozbawione wad. Porównanie poziomu trudności projektu inteligentnego czujnika IoT wykorzystującego baterię pastylkową z tym sensora zasilanego energią z otoczenia będzie niekorzystne dla tego drugiego. Zwykle wiąże się to też z większym kosztem początkowym, często kilkukrotnie, niż przy zasilaniu bateryjnym. Nawet jeżeli zwróci się on w postaci oszczędności na wymianie baterii, duży wydatek na etapie wdrożenia może się okazać wyzwaniem w przypadku organizacji sieci Internetu Rzeczy na dużą skalę. Trzeba również uwzględnić to, że w takim przypadku działanie węzła IoT jest całkowicie uzależnione od dostępności źródła energii w jego środowisku. Oprócz tego, jeżeli w danych warunkach żywotność przetwornika energii wolnodostępnej będzie krótsza niż baterii, jej nim zastąpienie nie będzie opłacalne. Podobnie, jeżeli nie trzeba jej wymieniać zbyt często, koszt jej wymiany jest mały albo zakładany czas użytkowania urządzenia IoT jest krótszy niż żywotność baterii, również zwykle nie warto inwestować w zasilanie energią wolnodostępną.

Pozyskiwanie energii z otoczenie może nie być dobrą alternatywą dla urządzeń IoT, które gromadzą i przesyłają duże ilości danych, ponieważ zapotrzebowanie na energię jest wówczas większe. Poza tym specyfika warunków pracy może uniemożliwić skorzystanie z tej metody zasilania, na przykład jeżeli układ zarządzania energią będzie wymagał wdrożenia specjalnych zabezpieczeń. Takie są m.in. konieczne w związku z możliwością przeładowania w przypadku węzłów Internetu Rzeczy narażonych na nieprzewidywalne i silne nasłonecznienie.

Oczywiście też nie wszystkie metody pozyskiwania energii ze środowiska nadają się do wszystkich zastosowań. Na przykład sensory IoT zasilane energią słoneczną nie sprawdzą się w monitorowaniu pracy sprzętu górniczego w podziemnej kopalni.

Podsumowanie

Chociaż koncepcja zasilania energią wolnodostępną nie jest nowością, a potencjalne korzyści z tego płynące są powszechnie znane, dla projektantów systemów wbudowanych IoT jej wdrożenie wciąż nie jest priorytetem. Generalnie wśród konstruktorów poziom wiedzy na temat sposobów pozyskiwania energii z otoczenia jest niski – większość rozumie je w teorii, ale nie orientuje się co do szczegółów ich praktycznej realizacji. Zdaniem ekspertów programiści systemów wbudowanych jak najszybciej powinni swoją wiedzę w tym zakresie poszerzyć, gdyż w nadchodzących latach technika zasilania energy harvesting w urządzeniach IoT będzie się popularyzować.

Wielu to rozumie, dlatego można obserwować stopniową zmianę podejścia – wśród konstruktorów szybko rośnie zainteresowanie zasilaniem energią wolnodostępną. Większości z nich nie trzeba już przekonywać o licznych zaletach tego podejścia – rozumieją, że dzięki eliminowaniu baterii są w stanie budować cieńsze, mniejsze, lżejsze i niezawodniejsze urządzenia Internetu Rzeczy. Dlatego coraz częściej szukają wsparcia w zakresie wykorzystania energy harvesting w praktyce.

Z realizacją zasilania energią wolnodostępną wiąże się szereg wyzwań. Pod uwagę należy wziąć wiele kwestii. Kluczową jest określenie spodziewanego zapotrzebowania na energię. Warto w tym zakresie korzystać z narzędzi pozwalających na wyznaczenie profilu, który uwzględni specyficzne wymagania urządzenia IoT w danej aplikacji. Takimi są pobór mocy szczytowej, w trybie uśpienia i głębokiego uśpienia i przy przełączaniu w stan aktywny.

Spodziewane zapotrzebowanie na energię trzeba odnieść do tej prognozowanej do pozyskania z otoczenia. Ważna jest również charakterystyka ładowania danego zasobnika energii. Dobrze być na bieżąco z nowymi rozwiązaniami w tym zakresie, które pozwalają na większą liczbę cykli ładowania/rozładowywania, pracują w wyższych temperaturach i zapewniają dobry kompromis między cyklami życia a gęstością energii.

Monika Jaworowska