La récupération d'énergie alimente des capteurs environnementaux sans batterie

L'acceptabilité de l'Internet des objets (IoT) s'est considérablement développée dans le monde entier, mais le rythme de ces progrès pose des défis à ses experts, qui expriment leurs inquiétudes/craintes quant à son avenir. Il a été estimé que d'ici 2025, les appareils connectés au réseau IoT pourraient dépasser le chiffre remarquable de 75 milliards d'unités. Cela donne du crédit aux inquiétudes des professionnels et à la nécessité de se préparer adéquatement pour que les gains obtenus ne s'évanouissent pas.

Déjà, les spécialistes de l'IoT prévoient un scénario dans lequel une pléthore d'appareils électroniques communiquent via une interface commune, généralement représentée par une connexion sans fil au cloud. Le nombre d'appareils connectés au réseau IoT ne cesse de croître, par conséquent, de nouvelles technologies de capteurs seront nécessaires pour répondre à la demande de données générée par la croissance explosive des appareils connectés. Ce seront les prochains défis de l'IoT.

« Je pense que les prochains défis de l'IoT seront axés sur l'identification des appareils qui feront partie de l'IoT. Ce n'est pas parce qu'il est techniquement possible de concevoir un appareil intelligent qu'il est utile d'avoir chaque appareil connecté à l'IoT », a déclaré Greg Rice, directeur du marketing technique, ON Semiconductor.

Les appareils et capteurs connectés joueront un rôle important dans plusieurs domaines, notamment l'automobile, l'automatisation industrielle, les maisons intelligentes, l'informatique grand public, l'agriculture et la santé mobile. Les données détectées, collectées et agrégées connaîtront une croissance exponentielle, conduisant à un trafic estimé à 125 exaoctets de données par jour en 2025. La gestion de ces grandes quantités de données générées par les appareils connectés à l'IoT sera un défi de taille.

Expliquant les défis et proposant une voie à suivre, Rice a déclaré que « si chaque bit de données généré à la périphérie de l'IoT est envoyé via le cloud, cela pourrait créer une congestion dans l'infrastructure réseau. Il pourrait être plus efficace d'effectuer une analyse et une agrégation de données de base à la périphérie de l'IoT, plutôt que de tout envoyer via le cloud au cœur du réseau".

Récolte d'énergie

La récupération d'énergie sera cruciale pour relever les défis offerts par la croissance exponentielle des appareils IoT. Rice pense que les défis de la récupération d'énergie sont centrés sur l'efficacité de la récupération d'énergie et la fiabilité des appareils alimentés par la récupération d'énergie ». Les dispositifs de récupération d'énergie fonctionnent avec de très faibles puissances, leur conception est souvent un compromis entre performances techniques et consommation électrique réduite. "Un défi avec les appareils conçus pour fonctionner grâce à la récupération d'énergie est de trouver le bon équilibre entre ces compromis dans le processus de conception", a souligné Rice.

Un autre défi important est la source d'énergie pour la récupération d'énergie. Pendant les heures de clarté, un appareil à énergie solaire peut fonctionner efficacement en exploitant la lumière du soleil disponible. Cependant, on ne peut pas en dire autant de son fonctionnement de nuit. De même, les appareils qui utilisent la puissance RF pour la récupération d'énergie doivent être en présence d'un champ RF avec une certaine force de signal. Si davantage de champs RF sont déployés pour prendre en charge les dispositifs de récupération d'énergie, les risques pour la santé associés doivent être soigneusement évalués.

Capteurs sans batterie

ON Semiconductors a conçu une suite innovante de capteurs sans fil et sans batterie pour le réseau IoT. La famille d'appareils Smart Passive Sensors™ (SPS) permet de surveiller la température, la pression, l'humidité ou la proximité à la périphérie du réseau. Étant donné que les capteurs environnementaux sont souvent déployés dans des endroits éloignés ou sur une vaste zone telle qu'une usine ou un bâtiment, le changement fréquent d'une batterie n'est pas une opération économiquement viable. La récupération d'énergie, en particulier la puissance RF pour les capteurs SPS, est en mesure de répondre à cette exigence. Comme le montre la figure 1, chaque capteur SPS est une étiquette de capteur RFID sans batterie ni microprocesseur avec un bloc d'antenne pour la communication sans fil, via le protocole UHF Gen 2 standard de l'industrie, avec un lecteur RFID. Lorsqu'un capteur SPS est interrogé par un lecteur RF, il utilise l'énergie reçue du signal, fournissant une lecture rapide et précise du capteur.

Figure 1 : bloc fonctionnel du capteur SPS

« Ce réseau de capteurs est conçu pour fonctionner en utilisant la récupération d'énergie RF. Il y a un hub de capteur central qui transmet la puissance RF via une antenne connectée. Les nœuds de capteurs individuels sont sans fil et sans batterie, et ils fonctionnent en convertissant l'énergie du champ RF environnant en une source d'alimentation pour l'électronique sur les nœuds de capteurs », a expliqué Rice.

Comme le montre la figure 2, chaque concentrateur de capteurs intègre deux blocs clés :le module lecteur et le module de traitement. Le module lecteur exécute des fonctions spécifiques au protocole pour communiquer avec les capteurs et exposer les données brutes des capteurs (EPC, Temp, RSSI, Code, etc.) au module de traitement. Le module de traitement agrège et formate les données du capteur pour une analyse supplémentaire. Les capacités de connectivité du concentrateur de capteurs incluent le Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth et d'autres protocoles adaptés à l'envoi de données de capteurs vers le cloud pour une analyse, des analyses et des décisions plus poussées.

Figure 2 :schéma fonctionnel du concentrateur de capteurs

L'architecture globale de l'IoT des capteurs est illustrée à la figure 3. Le concentrateur de capteurs collecte les données de plusieurs capteurs et communique avec d'autres appareils connectés via le cloud pour activer l'IoT dans de nouvelles applications et de nouveaux scénarios.

Figure 3 :l'architecture IoT des capteurs

Au cœur du bloc de détection se trouve le capteur IC Magnus-S2© de RF Micron, une puce RFID UHF alimentée par la récupération d'énergie RF du lecteur UHF. Le Magnus−S2 utilise le moteur Chameleon à réglage automatique breveté qui adapte le frontal RF pour optimiser les performances dans diverses conditions environnementales. Ces balises de capteur fonctionnent soit dans la bande UHF définie par la FCC, soit dans la bande UHF de l'ETSI. Le petit facteur de forme et les capacités sans batterie des capteurs passifs intelligents leur permettent d'être conçus dans des applications où la taille et l'accessibilité sont primordiales.

La famille d'appareils SPS comprend :

• Capteurs de température, conçus pour la détection passive de la température sur les surfaces métalliques, non métalliques et céramiques. Les applications incluent la maintenance prédictive dans les industries et les centres de données ;
• Capteurs d'humidité, conçus pour la détection passive de l'humidité sur diverses surfaces ou produits finis en plastique, bois, céramique, terre et plâtre. Les applications incluent la détection du niveau d'humidité ou des fuites et le contrôle de la qualité dans différents contextes industriels ;
• Capteurs de niveau de fluide conçus pour la détection passive de fluide à travers des surfaces minces telles que les plastiques.

Conclusion

Le nombre d'appareils connectés au réseau IoT ne cesse de croître, avec des applications impliquant tous les secteurs de la technologie. Le succès et l'expansion du secteur de l'IoT dépendent strictement des caractéristiques et des performances des capteurs impliqués. De nouvelles technologies de capteurs sont nécessaires pour compléter les réseaux de capteurs traditionnels. Un capteur sans fil sans batterie avec connectivité cloud permet une surveillance améliorée des conditions environnementales dans différentes applications telles que les centres de données, la maintenance prédictive industrielle, la construction et l'énergie, la chaîne du froid, l'agriculture numérique et les soins de santé intelligents.

>> Cet article a été initialement publié le notre site sœur, Power Electronics News.