L'alimentation sans fil RF propulse l'adoption universelle des réseaux de capteurs

Nous sommes à l'ère d'une explosion de l'IA (intelligence artificielle). Tout — de votre réfrigérateur au bol de votre chien — deviendra partie du réseau neuronal de l'IA. Les revenus mondiaux pour le marché de l'IA, incluant logiciels, matériel et services, sont prévus pour croître de 16,4 % d'une année sur l'autre en 2021 pour atteindre 327,5 milliards $, et d'ici 2024, le marché devrait franchir la barre des 500 milliards $.

Bien que ces chiffres soient impressionnants, l'IA n'atteindra son plein potentiel que lorsqu'elle pourra être alimentée par un flux constant de données provenant d'une pléthore de sources diverses. Afin de rassembler des données à un taux qui permet une sortie IA à haute valeur, vous avez besoin d'un réseau de capteurs ubiquitaire en place. Les capteurs sont les neurones qui déclenchent les synapses de l'IA. Ces synergies sont impératives pour la fréquence et la qualité de la sortie.

Au cours des dernières années, les capteurs ont commencé à marquer leur empreinte comme cadre de l'IoT. En 2022, les capteurs de mouvement devraient représenter 8,35 % du marché mondial des capteurs IoT activés. Le revenu total généré par le marché des capteurs activés est estimé à 56 milliards $ en 2022.

Les réseaux de capteurs doivent continuer à s'étendre pour pouvoir véritablement soutenir l'adoption et la réalisation d'une IA à haute valeur. Cependant, l'expansion évolutive des réseaux de capteurs est étouffée par les restrictions de placement dues au besoin d'accès à l'alimentation. Alors comment « garder les lumières allumées et les neurones qui tirent » ?

Historiquement, les capteurs sont alimentés par des fils et/ou des batteries. Cependant, ces deux options ont des limitations. Les fils peuvent être coûteux à installer et souvent restrictifs — avec des limites de longueur de câble et des points de rupture potentiels. Les batteries ont une durée de vie limitée ; elles doivent être remplacées régulièrement et sont jetées quand elles sont épuisées. En bref, elles ne sont pas fiables pour les cycles de temps requis ; elles sont un coût récurrent, et elles sont environnementalement non durables.

Une alternative à l'alimentation traditionnelle

Un substitut aux fils et batteries est la récupération d'énergie (capturer l'énergie disponible). Ou la recharge sans fil (générer de l'énergie pour alimenter sans fil un dispositif), qui est le processus où l'énergie est dérivée de sources d'énergie externes prévisibles, capturée, et stockée pour des applications incluant de petits dispositifs autonomes sans fil comme ceux utilisés dans les réseaux de capteurs sans fil.

Il y a de nombreuses méthodes de recharge sans fil, que nous examinerons brièvement :

• Vibration est le concept de conversion d'énergie vibratoire en énergie électrique. Cette méthode n'est idéale que pour les machines qui vibrent.

• UV/IR l'énergie doit avoir une ligne de vue directe entre l'émetteur et le récepteur pour fonctionner correctement, toute obstruction résulte en aucune puissance atteignant le récepteur.

• Qi est la recharge inductive et offre des watts de puissance, mais seulement pour les applications où l'émetteur et le récepteur sont à quelques millimètres l'un de l'autre ; l'alignement du dispositif est assez restrictif.

• Solaire et éolien, dans la plupart des cas, doivent être en extérieur et peuvent donc être coûteux à construire et aussi un peu limités dans leurs capacités.

• Radiofréquence (RF) ne nécessite pas de ligne de vue directe, peut délivrer de l'énergie dans des enceintes étanches, est de faible puissance (µW à mW) et est plus polyvalent que les processus mentionnés précédemment.

Réseaux de capteurs sans fil

La technologie d'alimentation sans fil RF est unique car elle utilise des ondes électromagnétiques de radiofréquence plutôt que des champs magnétiques pour charger un dispositif. Un émetteur RF utilise l'électronique pour générer un signal RF. Le signal RF est envoyé à une antenne, qui transmet les ondes RF à un récepteur intégré dans un dispositif, qui les capte à l'aide d'une antenne. Ils sont ensuite convertis en DC utilisable à l'aide d'une puce intégrée. Cela alimente le dispositif ou recharge la batterie. Le transfert de puissance sans fil RF peut être décrit en champ lointain en utilisant la bien connue équation de Friis. L'équation nous montre comment la puissance transmise, les types d'antennes et la fréquence du signal RF impactent la puissance reçue à différentes distances.

L'alimentation sans fil RF peut être implémentée comme un point de charge où plusieurs dispositifs peuvent être alimentés simultanément ; comme un faisceau RF qui peut être envoyé directement vers un dispositif particulier à plusieurs mètres de l'émetteur ; ou comme un point focalisé directement devant l'émetteur. Parce que c'est un système à deux côtés (émettre et recevoir), une solution peut être conçue pour la plupart des applications. Un grand avantage de l'alimentation sans fil RF est qu'elle peut être implémentée dans une variété d'environnements et de configurations différents, par exemple, des installations à grande échelle comme des hôtels, complexes de bureaux et campus. La plupart du temps, il y a des zones inoccupées d'un hôtel, complexe de bureaux ou campus, qui n'ont pas besoin de lumières allumées ou de systèmes de température fonctionnant à l'état stable. La capacité de changer ces conditions (pas de lumières dans certaines pièces inoccupées et pas de système AC ou chauffage qui se déclenche ou fonctionne moins souvent) peut créer des installations écologiques, améliorant l'expérience utilisateur et fournissant des économies de coûts significatives.

Typiquement, les réseaux de capteurs sont seulement intégrés quand le bâtiment est conçu, ou pendant un effort de remodelage à grande échelle, en raison de la complexité de l'implémentation. Cependant, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) utilisant l'alimentation sans fil RF rendent l'implémentation beaucoup plus facile. Pas besoin de tirer des fils, pas besoin de considérer les problèmes de batteries. Un WSN permet des capteurs dédiés, spatialement dispersés et sans restriction pour surveiller et signaler les conditions physiques de l'environnement et organiser les données collectées à un emplacement centralisé.

Aujourd'hui, les WSN comptent encore principalement sur l'alimentation par batterie, qui, comme noté, n'est pas entièrement fiable ou préférable. Mais, l'introduction de la mentalité « couper les cordons » de la technologie WSN permet à la détection d'avoir lieu hors de vue et dans des endroits difficiles d'accès. L'intégration de la récupération d'énergie pousse la polyvalence du WSN un pas plus loin en éliminant l'interaction humaine après l'installation pour que ces systèmes puissent fonctionner de manière fiable en continu sans besoin de maintenance. De plus, bien que la récupération d'énergie ajoute un coût initial, le retour sur investissement économique d'un plus grand contrôle est rapide, et la liberté de maintenance future (remplacement de batterie) et d'élimination ont un effet composé.

En dehors de la surveillance et du contrôle environnementaux, d'autres façons dont cette technologie peut être appliquée incluent des systèmes de scan de température personnels sans batterie conçus pour aider avec les protocoles COVID-19, la détection sans batterie dans des chambres ou conteneurs de matières dangereuses où c'est dangereux pour les individus d'être présents, et même le suivi de température de vaccins en utilisant l'équipement RFID existant — une pratique courante dans la plupart des contextes médicaux.

Demande pour les WSN

À mesure que la demande pour l'IA augmente, la demande pour les WSN augmentera aussi. Les projets de recherche prévoient que le marché mondial des réseaux de capteurs sans fil devrait croître à un TCAC (taux de croissance annuel composé) dépassant 14 % sur la période de prévision. Sa taille peut gonfler à 1,5 milliard $ d'ici 2022. Les WSN sont bénéfiques pour de nombreuses raisons : ils sont flexibles et adaptables, sont évolutifs, et peuvent accueillir de nouveaux dispositifs à tout moment, et peuvent aider avec les économies de coûts puisqu'il n'y a pas de coûts de câblage.

Le besoin pour les WSN sera vu dans tous les domaines d'activité — de la vente au détail aux entrepôts, installations de fabrication et au-delà. Même les espaces publics utilisent les WSN dans les feux de circulation, arrêts de bus, autoroutes, passages piétons, etc. Les bâtiments de bureaux utilisent les WSN pour surveiller les emplacements des employés ainsi que le suivi d'actifs pour voir où les ordinateurs portables sont situés dans un bâtiment. Des thermostats intelligents, serrures, stores, lumières et prises, il semble que tout est connecté ces jours-ci, et à mesure que nous voyons plus de dispositifs intelligents apparaître, nous verrons des demandes encore plus grandes pour les WSN. Ils seront l'épine dorsale des villes intelligentes de demain.

Alimentation sans fil RF

Bien qu'il y ait plusieurs options pour l'alimentation par air, la RF est parmi les formes les plus fiables et évolutives de transfert de puissance sans fil pour les environnements intérieurs et extérieurs. En général, l'alimentation sans fil est plus fiable que la récupération d'énergie, car elle est identifiable et prévisible. C'est aussi facile d'intégrer la technologie de recharge sans fil RF car elle n'est pas restreinte par le mouvement ou le placement exact, lui permettant d'accommoder des dispositifs que l'induction ne peut pas.

L'alimentation sans fil est la technologie habilitante de demain. Elle nous donnera la flexibilité de déployer les WSN d'une manière qui nous permettra de rendre demain plus intelligent, plus sûr, plus vert et meilleur.

Cet article a été écrit par Charlie Goetz, Directeur Général, Powercast (Pittsburgh, PA). Pour plus d'informations, contactez M. Goetz à cette adresse email protégée ; ou visitez ici .