Ambient IoT - Nutzung der Energie von Hochfrequenzwellen für vernetzte Geräte

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Ihre IoT-Geräte ohne Batteriewechsel unbegrenzt betrieben werden können. Tatsächlich ist das kein Wunschtraum, sondern mit Ambient IoT bereits Realität. Wir bei grandcentrix widmen unsere Arbeit der Umsetzung des Internet der Dinge (IoT). IoT ist jedoch nicht immer eine unkomplizierte Angelegenheit und kann Ihnen manchmal ernsthafte Kopfschmerzen bereiten. Folgendes Szenario: Sie haben ein neues drahtloses IoT-Sensornetzwerk mit großer Sorgfalt entwickelt. Alle Messdaten sind in der Cloud sichtbar und können analysiert werden. Unternehmensanalysten steht eine Fülle von Daten zur Verfügung. Prozesse, die früher manuell durchgeführt wurden, sind jetzt digital. Im Laufe der Jahre haben Sie Ihr Unternehmen optimiert, die Effizienz ist gestiegen und damit auch der Gewinn. Alle sind zufrieden. Spulen Sie drei Jahre nach der Einführung vor. Die ersten Sensoren zeigen Warnungen zur Batterielebensdauer an, wenn sie 20 % ihrer Kapazität erreichen. Bei den Mitarbeitern, die die Plattform warten, macht sich Unruhe breit. Was ist der nächste Schritt? Sie haben Hunderte von Sensoren im Einsatz, die alle mit kleinen Batteriezellen ausgestattet sind, um den Platzbedarf und die Kosten der Geräte gering zu halten. Diese Geräte wurden in mehreren schwer zugänglichen Regionen eingesetzt, z. B. in mit Flüssigkeiten gefüllten Tanks. Sie beginnen, nach Lösungen zu suchen. Entweder tauschen viele Leute nur die Batterien aus, wenn das ursprüngliche Design dies zulässt, oder, schlimmer noch, das gesamte Gerät muss ausgetauscht werden, weil ein Batteriewechsel nicht vorgesehen war. Unabhängig von der Lösung ist dies mit einem hohen Aufwand verbunden und kann den Business Case Ihrer IoT-Geräte schwächen. Aber was wäre, wenn es einen Weg gäbe, es einfacher zu machen? Da wir uns um unsere Kunden wichtig sind, sind wir immer bestrebt, neue und aufregende Technologien zu erforschen, um unsere Produkte und Lösungen zu verbessern und unsere Kunden noch zufriedener zu stimmen. Ein Aspekt bei der Verwirklichung des IoT ist die Sicherstellung, dass es einfach und zugänglich ist. Der Stromverbrauch ist einer der Faktoren, die bei der Entwicklung von IoT-Geräten besondere Aufmerksamkeit erfordern. Wie das obige Beispiel zeigt, müssen in der Entwurfsphase viele Entscheidungen getroffen werden, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile haben kann. Es gibt jedoch eine Sache, die in der IoT-Community mehr und mehr an Aufmerksamkeit gewinnt und das Design rund um die Energieverwaltung vereinfachen kann: Ambient IoT.

Matthias Priebe — Solution Architect

10. April 2024

Umgebungsenergie nutzbar machen: Der Weg zu nachhaltigen IoT-Geräten

Umgebungsenergie nutzbar machen: Der Weg zu nachhaltigen IoT-Geräten Die Nutzung der Umgebungsenergie kann die Batterielebensdauer von IoT-Geräten erheblich verlängern oder sie im Optimalfall völlig energieautark machen. Wir haben diese Art der Energiegewinnung bereits in unsere Produkte integriert. Unser Asset Tracker Solar zum Beispiel nutzt ein Solarpanel, um seine Betriebsdauer zu verlängern.

Sonnenenergie ist jedoch nur eine der vielen Quellen, die genutzt werden können. Andere potenzielle Quellen sind kinetische Energie, Wärmegradienten und eine allgegenwärtige Quelle: Funkfrequenzen.

Die beiden wichtigsten Standardisierungsorganisationen in diesem Bereich, das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) und das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), entwickeln beide neue Standards für die Nutzung von Umgebungsenergie in IoT-Geräten. Diese kommenden Normen werden die Branche revolutionieren und den Weg für effizientere und nachhaltigere IoT-Geräte ebnen.

Standardisierung und mögliche Anwendungen der Energiegewinnung aus der Umgebung im Internet der Dinge (IoT)

Standardisierungsprozesse beginnen in der Regel mit Anwendungsfällen, die hauptsächlich aus industriellen Umgebungen und Anforderungen stammen. Sowohl IEEE 802.11 Ambient Power (AMP) als auch 3GPP Ambient Internet of Things (IoT) skizzieren diese Anwendungsfälle und heben ähnliche Herausforderungen hervor, die von den aktuellen Technologien nicht berücksichtigt werden:

Die Untauglichkeit batteriebetriebener Geräte unter extremen Bedingungen (z. B. hoher Druck, extreme Temperaturen, feuchte Umgebungen) oder dort, wo wartungsfreie Geräte erforderlich sind (z. B. keine Notwendigkeit, eine Batterie zu ersetzen).
Der Bedarf an ultrakomplexen Geräten mit sehr kleinem Formfaktor (z. B. Millimeterdicke) und längerer Lebensdauer.

Betrachten wir nun die möglichen Anwendungen dieser Technologien:

Smart Home: Verbindung von Gegenständen, die bisher aus Kosten- oder Reichweitengründen nicht miteinander verbunden waren, wie z. B. Pässe oder Sensoren in Wänden. Hierfür sind extrem kostengünstige, kleine, abwaschbare, flexible/faltbare und langlebige Geräte nötig.
(Smart) Logistics & (Smart) Warehousing: Die Verfolgung von Waren während des gesamten Logistikprozesses erfordert extrem kostengünstige, wartungsfreie, langlebige Geräte mit kleinem Formfaktor.
Industrielles drahtloses Sensornetzwerk: Sensoren, die unter rauen Bedingungen eingesetzt werden, z. B. bei hohen/niedrigen Temperaturen, beweglichen oder rotierenden Teilen, starken Vibrationen, Feuchtigkeit und anderen Gefahrensituationen.
Smarte Landwirtschaft: Die Überwachung eines ganzen Bauernhofs erfordert eine hohe Dichte an Sensoren zur Überwachung von Böden, Pflanzen und Tierbeständen. Eine herkömmliche Stromversorgung ist aufgrund der Betriebsbedingungen möglicherweise nicht sinnvoll, aber es kann Energie aus Solarenergie, Wärme oder Funkfrequenzen für die Stromversorgung der Geräte genutzt werden.

Diese Anwendungsfälle bestimmen den Standardisierungsprozess von Funknetzen. Derzeit wird über die Erweiterung der 5G- und 802.11-Technologie diskutiert, um die Energieverteilung über das Netzwerk zu unterstützen und weniger komplexe, effizientere Übertragungsverfahren für Geräte bereitzustellen, wodurch der Stromverbrauch und der Platzbedarf der Geräte reduziert werden.

Funkfrequenzen als Energiequelle sind von besonderem Interesse, weil jedes drahtlose Gerät für den Betrieb Antennen benötigt und bereits mit einigen der Teile ausgestattet ist, die zur Energiegewinnung benötigt werden.

Auswirkungen des Radio Frequency Harvesting auf das Systemdesign

Die wichtigsten Standardisierungsorganisationen legen in ihren aktuellen Vorschlägen für den Ambient IoT-Standard großen Wert auf das Radio Frequency Harvesting. Aus Sicht des Systemdesigns bedeutet dies, dass es vier Hauptkomponenten gibt, die sorgfältig integriert und entworfen werden müssen:

Antenne: Die Antenne spielt eine wichtige Rolle beim Sammeln der Umgebungsenergie von Funkfrequenzsignalen. Eine hohe Antenneneffizienz ist entscheidend für das Sammeln der Energie aus den verschiedenen Frequenzbändern, die für die drahtlose Signalübertragung verwendet werden.
Hochfrequenz-Gleichstrom-Wandler: Die von der Antenne gesammelte Energie muss umgewandelt werden, damit sie von dem angeschlossenen System genutzt werden kann; daher ist eine effiziente Umwandlung und Erhöhung der Spannung auf typische Werte für Mikrocontroller erforderlich. Eine bekannte Lösung, die in der Forschung verwendet wird, ist der Spannungsverdoppler.
Energiespeicherung: Da die aus den Funkfrequenzen der Umgebung gewonnene Energie gering ist, muss die Energie gespeichert und gesammelt werden, damit genügend Energie für den Betrieb des angeschlossenen Systems über einen ausreichend langen Zeitraum zur Verfügung steht, um sinnvolle Berechnungen durchzuführen oder Daten zu übertragen. Die Energiespeicherung hat auch große Auswirkungen auf die Größe der Lösung.
Energiemanagement: Die gesammelte Energie ist, wie erwähnt, sehr gering, so dass sie möglichst effizient genutzt werden muss. Hier kommt ein effizientes Energiemanagement ins Spiel. Der angeschlossene Schaltkreis benötigt genügend Energie, um seine Aufgabe zu erfüllen. Je nach Art der Aufgabe kann der Energieverbrauch niedriger sein, wie z. B. bei einer kleinen Berechnung eines Wertes, oder höher, wie bei der Übertragung eines Funksignals. All dies muss bei der Systemkonzeption berücksichtigt werden.

Auch ein kurzer Blick auf die Funktechnologien ist für das Systemdesign interessant und das Verständnis dieser Technologien bietet interessante Designentscheidungen, die berücksichtigt werden müssen. Die aktuellen Funktechnologien, die häufig in IoT-Geräten zu finden sind, wie LTE-M, Narrowband-IoT oder Bluetooth Low Energy, sind bereits auf niedrigen Energieverbrauch optimiert, um eine lange Lebensdauer im Batteriebetrieb zu gewährleisten. Der Stromverbrauch solcher Technologien ist jedoch immer noch recht hoch im Vergleich zu der Energie, die aus den umgebenden Funkfrequenzen gewonnen werden kann. Daher könnten bei der Systementwicklung fortschrittliche Techniken eingesetzt werden, die die für die Übertragung benötigte Energie erheblich senken. Eine davon ist die Rückstreuung, bei der Daten mit bereits vorhandenen Signalen übertragen werden, indem diese reflektiert werden. Dies wird beispielsweise bereits in speziellen integrierten WiFi-Schaltkreisen eingesetzt, um den Stromverbrauch erheblich zu senken.

Fazit

Alles in allem gewinnt die Entwicklung von Geräten, die durch die Nutzung der Umgebungsenergie völlig energieautark sind, in der Industrie zunehmend an Aufmerksamkeit und ist ein interessanter neuer Technologietrend für den IoT-Markt, der mehrere derzeit bestehende Probleme angeht und die Möglichkeit für neue IoT-Lösungen und -Produkte bietet. Dies ist ein großer Schritt in Richtung kleinerer, billigerer Produkte und im besten Fall sogar in Richtung Druckbarkeit. Wir bei grandcentrix freuen uns darauf, diese Techniken in Lösungen einzubauen und das Internet der Dinge noch zugänglicher und besser zu machen.