Fraunhofer trabalha em solução para tornar sensores em redes mais eficientes

Em Projeto Chave, Sociedade Fraunhofer irá criar a base para uma Internet das Coisas universal, a partir do desenvolvimento de hardware modular e extremamente eficiente em termos de energia. / mai 03, 2018

A Internet das Coisas (IoT) está crescendo de forma constante, no cenário atual já se faz necessário um grande número de nós em rede, coletando, analisando e convergindo dados. Entretanto, o enorme consumo de energia dos nós da rede é um problema. De acordo com um estudo realizado em 2013 pela Agência Internacional de Energia, a demanda de energia dos dispositivos de rede em todo o mundo, correspondia ao consumo total de energia elétrica da Alemanha. Nos próximos anos, essa necessidade quase duplicará para 1140 terawatts por ano, na qual a IoT em rede contribui com uma parcela significativa desse crescimento. Por esse motivo, é importante que os sensores se tornem cada vez mais eficientes em termos de consumo de energia.

Até agora, a indústria e a academia não apresentaram nenhuma solução abrangente. Para cada aplicação, um único hardware de IoT, mais ou menos eficiente do ponto de vista energético, é desenvolvido. Com o objetivo de mudar essa dinâmica, a Fraunhofer-Gesellschaft trabalha no projeto "Rumo à Eletrônica de Potência Zero" (ZEPOWEL). Trata-se de uma solução de hardware a ser desenvolvida de forma holística e extremamente eficiente. Em uma próxima etapa, os sensores em rede poderão até funcionar completamente autossuficientes.

Para isso, a Fraunhofer trabalha em dois eixos principais: primeiro, os próprios nós devem consumir significativamente menos energia e, em segundo, economias de energia devem ser alcançadas em nível sistêmico. Isso significa que a comunicação com outros sistemas também irá economizar energia. "Queremos criar a plataforma tecnológica para uma aplicação de IoT abrangente", explica Erik Jung, membro da equipe do projeto no Instituto Fraunhofer de Confiabilidade e Microintegração IZM.

Os Institutos Fraunhofer, envolvidos no projeto, desejam resolver as seguintes tarefas:

Componentes altamente eficientes para uma comunicação robusta e segura

Como parte do projeto, novas tecnologias estão sendo desenvolvidas, como por exemplo, um receptor de ativação com ultrabaixo consumo de energia, garantindo que um nó sensor não precise enviar dados permanentemente, mas sim "acordar" em um determinado limiar ou por meio de uma solicitação autenticada de fora.

Espera-se que o módulo desenvolvido no projeto seja 1000 vezes mais eficiente que as soluções existentes de rádio padrão. O receptor desenvolvido responde apenas aos sinais autorizados e assegurados por criptografia e realmente relevantes para ele. Dessa forma, o nó do sensor pode permanecer no modo de espera com um consumo mínimo de energia e ser ativado imediatamente pelo receptor do WakeUp, se necessário.

Medição mais precisa com menos energia

Além disso, o projeto visa uma inovação única de sensor: um sensor de qualidade do ar deve ser acoplado a uma microbomba. Essa, serve então como um amplificador de medição, aumentando consideravelmente a quantidade de ar fornecida. Se esse desafio for bem-sucedido, o resultado será um sensor que exigirá significativamente menos sensibilidade, mas ao mesmo tempo fornecerá dados muito mais precisos. Enquanto os sensores atuais podem fornecer 5000 medições a uma potência de 1250 microwatts por segundo, o sensor desenvolvido deve funcionar com menos de 10 microwatts, proporcionando o dobro de leituras por segundo.

O sensor da amostra deve medir o material particulado nas cidades. Enquanto as medições de material particulado costumavam ser extremamente demoradas e, portanto, só podiam ser realizadas em alguns nós ao mesmo tempo, a nova tecnologia pretende tornar a medição mais densa e precisa possível. A rede inteligente dos nós e a conexão a plataformas de nuvem comuns podem ser usadas para criar um modelo detalhado de emissões de partículas finas nas cidades. As aplicações são inúmeras: por exemplo, o controle de fluxo de tráfego pode ser baseado nele, ou sistemas de navegação podem adaptar suas rotas de forma independente.

Sensores se abastecem mais facilmente com eletricidade

Não apenas a coleta e transmissão de dados devem ser otimizados, mas também o balanço energético dos próprios nós.

Portanto, dever ser desenvolvido um coletor de banda larga, uma espécie de colheitadeira para a energia ambiente. Sua eficiência quadruplica em comparação com o atual estado da arte: para coletar 100 microwatts de energia de seu ambiente, ela só precisa de um quarto da área, ou seja, 5 por 5 milímetros quadrados. A energia captada dessa forma é armazenada em uma bateria de filme fino recém-desenvolvida, que é integrada diretamente no chip de hardware. Esta abordagem totalmente integrada de bateria, colheitadeira e conversor de energia é única no mundo.

Um exemplo deixa claro como isso pode funcionar: se você jogar algo no chão, a energia gerada tem uma largura de banda de alguns hertz até alguns quilohertz. Um absorvedor que ressoa apenas a 100 hertz pode, portanto, absorver apenas pouca energia do lançamento. Mas, se for desenvolvido um ressonador capaz de absorver energia em uma ampla faixa de frequência, uma quantidade significativamente maior de energia é extraída do lançamento.

Kit de construção modular para todas as aplicações

O projeto ZEPOWEL também estabeleceu o objetivo de não desenvolver um nó puramente específico por aplicação, mas sim uma abordagem modular baseada no princípio plug and play. “Oferecemos um módulo para muitas aplicações: é um sistema plug-in, como os blocos Lego. “Conecte e Pronto“, explica Erik Jung. A plataforma desenvolvida consiste em inovações individuais criadas pelos institutos, que podem ser combinadas conforme o desejado. Enquanto uma solução de hardware específica foi criada para cada aplicativo de IoT, um hardware de IoT universal está sendo desenvolvido neste projeto. Dependendo da aplicação, o cliente pode escolher a melhor opção.

Os Institutos Fraunhofer envolvidos no projeto são:

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