Поскольку Интернет вещей становится популярным, ведется поиск решений для улучшения устройств IoT. Проблемным вопросом является в первую очередь источник питания – они обычно оснащены аккумулятором, а его замена затруднительна. Альтернативой является получение энергии на местном уровне из возобновляемых источников — свободно доступной энергией.
В технике получения свободно доступной энергии ее источники используются в среде приемника. Типичными компонентами узла Интернета вещей, питаемого таким способом, являются: преобразователь свободной энергии в электричество, блок его хранения, например аккумулятор или суперконденсатор, схема управления энергопотреблением и интеллектуальный датчик IoT. Характерной особенностью большинства устройств Интернета вещей является очень низкое энергопотребление — в этом плане наблюдается постоянный прогресс: узлы IoT становятся умнее и меньше, что снижает потери энергии.
Свободно доступная энергия может иметь различные формы и разные внешние источники. Примеры форм энергии из окружающей среды включают: солнечную, тепловую, энергию потока ветра и воды, и радиоволны.
Внешние источники делятся на: механические (вибрации, давление, напряжения) и человеческие. Что касается последнего, можно выделить ряд потенциальных источников энергии, в том числе: движения суставов, тепло тела, дыхание, речь и удары о землю во время ходьбы. Например, благодаря встроенному в коленный бандаж устройству, может вырабатываться мощность до нескольких ватт. Дополнительно доступны: датчики дыхания, приводящие в действие мини-воздушные турбины, и вибрации, генерируемые голосовыми связками.
Питание узлов Интернета вещей свободно доступной энергией из окружающей среды имеет много преимуществ по сравнению с проводным питанием или от батареи. Прежде всего это исключает необходимость прокладки кабелей, что упрощает монтаж – например, трубопроводы учета не требуют километров дополнительных кабелей, а также периодической замены аккумуляторов. Это обеспечивает большую экономию, особенно если не приходится периодически заменять тысячи батарей, и позволяет устанавливать устройства Интернета вещей в труднодоступных местах, где обслуживание дорого, опасно или даже невозможно.
Примеры включают механизмы и взрывоопасные зоны в промышленности или системы мониторинга животных на фермах. Получение энергии из окружающей среды также является привлекательной альтернативой в условиях экстремально низких и высоких температур, которые плохо влияют на аккумуляторы, заставляя их быстрее разряжаться и стареть.
Сокращение количества батарей, используемых для питания узлов Интернета вещей, ввиду их быстро растущей популярности, также полезно для окружающей среды. По данным IoT Analytics, в 2023 году количество подключенных IoT-устройств во всем мире увеличилось на 20%, а в 2024 году прогнозируется дальнейшее увеличение на 15%, что будет означать в общей сложности 20 миллиардов активных узлов IoT. К 2025 году 80 миллионов батарей, питающих такие устройства, будут выбрасываться каждый день по всему миру, если их срок службы не будет радикально продлен.
Естественно питание устройств IoT свободно доступной энергией не лишено недостатков. Сравнение уровня сложности разработки интеллектуального датчика IoT с использованием простой батарейки и уровня сложности датчика, питающегося от энергии окружающей среды, будет не в пользу последнего. Обычно это связано с более высокими первоначальными затратами, часто в несколько раз выше, чем при питании от батарей. Даже если это окупится в виде экономии на замене батареи, большие затраты на этапе внедрения могут оказаться проблемой при организации масштабной сети Интернета вещей.
Также необходимо учитывать, что в таком случае работа узла IoT полностью зависит от наличия окружающего источника энергии. Кроме того, если в данных условиях срок службы преобразователя свободной энергии меньше, чем у аккумулятора, его замена будет нерентабельной. Аналогичным образом, если его не нужно заменять очень часто, стоимость его замены невелика или предполагаемый срок службы IoT-устройства короче срока службы батареи, то и не стоит вкладываться в источник питания со сбором энергии.
Получение энергии из окружающей среды может не подходит для устройств Интернета вещей, которые собирают и передают большие объемы данных, поскольку потребность в энергии выше. Кроме того, специфические условия эксплуатации могут сделать невозможным использование этого способа электропитания если система энергоменеджмента требует внедрения специальных защит.
Делаем выводы
Хотя концепция бесплатного энергоснабжения не нова и ее потенциальные преимущества широко известны, реализация все еще не является приоритетом для разработчиков встраиваемых систем Интернета вещей. В целом уровень знаний проектировщиков о том, как получать энергию из окружающей среды, низок – большинство понимает их в теории, но не знает подробностей их практической реализации. По мнению экспертов, программистам встраиваемых систем следует как можно скорее расширять свои знания в этой области, поскольку в ближайшие годы технология энергосбережения в устройствах IoT станет очень популярной.
Многие это понимают, поэтому наблюдается постепенное изменение подхода – среди проектировщиков быстро растет интерес к источникам питания со свободно доступной энергией. Большинству из них больше не нужно убеждаться в многочисленных преимуществах такого подхода — они понимают, что отказавшись от батарей можно создавать более тонкие, меньшие, легкие и надежные устройства IoT.
И конечно нужно быть в курсе новых разработок в этой области, которые позволяют увеличить количество циклов зарядки/разрядки, работать при более высоких температурах и обеспечивают хороший компромисс между сроком службы и плотностью энергии.
