Dagli ingegneri del MIT una guida alla progettazione per l’alimentazione delle reti di sensori

IoT

Raccogliere energia per alimentare le reti di sensori può essere molto impegnativo. A tal proposito, gli ingegneri del MIT hanno creato una guida alla progettazione per sensori autoalimentati, affrontando le sfide nella raccolta dell'energia, nell'immagazzinamento e negli algoritmi di controllo.

Con oltre undici miliardi di dispositivi IoT connessi in tutto il mondo e un numero crescente di reti distribuite di sensori su larga scala, il problema dell'alimentazione di questi sistemi sta diventando una sfida urgente. Quando questi dispositivi non possono essere alimentati dalla rete elettrica, le attuali opzioni possibili lasciano molto a desiderare. Le batterie ricaricabili richiedono infatti un'enorme quantità di manutenzione per mantenerle cariche e devono anche essere sostituite periodicamente. Inoltre, affidandoci alle batterie per il funzionamento di miliardi di dispositivi, non possiamo trascurare un aspetto ambientale, ovvero che queste batterie sono cariche di sostanze chimiche tossiche che potrebbero causare concreti danni ambientali. La raccolta di energia (energy harvesting) è un'opzione molto più promettente dal punto di vista della manutenzione e della protezione dell'ambiente, ma presenta anche alcune criticità. Innanzitutto, la complessità di progettazione. Indipendentemente dal fatto che vengano utilizzate fonti di energia solare, eolica o di altro tipo, spesso sono disponibili in modo incoerente. Pertanto, si rendono necessari sistemi complessi per immagazzinare l'energia raccolta, accendere il dispositivo solo quando sono state immagazzinate quantità sufficienti di energia e fare un uso efficiente delle risorse disponibili.

Sebbene esista attualmente la tecnologia per costruire sistemi di raccolta dell'energia efficienti per alimentare le reti di sensori, la selezione dei componenti appropriati e la loro integrazione nei dispositivi può essere una fase estremamente impegnativa. Ogni dispositivo e metodo di raccolta dell'energia viene fornito con una propria serie di considerazioni cui i sistemi di gestione dell'alimentazione devono essere ottimizzati per adattarsi. Questa barriera all'ingresso sta impedendo l'implementazione di soluzioni energetiche rispettose dell'ambiente. Ciò ha spinto un team di ricercatori del MIT a sviluppare una guida alla progettazione per la gestione dell'energia in sensori autoalimentati al fine di facilitare il processo.

La guida si concentra su alcuni argomenti che sono di particolare importanza per i sensori autoalimentati, tra cui consentire un avviamento a freddo, convertire e immagazzinare in modo efficiente l'energia raccolta e gli algoritmi di controllo per fare buon uso dell'energia disponibile. Per l'avvio a freddo, la guida descrive in dettaglio come l'energia raccolta può essere immagazzinata fino a raggiungere una soglia critica, a quel punto il dispositivo può accendersi. Per mantenere il sistema il più possibile esente da manutenzione, vengono evitate le batterie. D'altra parte, le linee guida richiedono condensatori per immagazzinare l'energia raccolta fino a quando questa non è necessaria per il funzionamento. Vengono forniti suggerimenti utili per assicurarsi che i condensatori possano immagazzinare energia sufficiente per il funzionamento del sistema, ma anche per evitare di selezionare un condensatore troppo grande che comporterebbe un periodo di carica eccessivamente lungo. Gli algoritmi di controllo determinano quando accendere e spegnere i sensori e quando fare una pausa per raccogliere più energia.

Come dimostrazione dei principi di progettazione, il team del MIT ha costruito un semplice dispositivo che raccoglie energia dal campo magnetico generato attorno a un filo. Questa energia è stata utilizzata per alimentare un sensore di temperatura, che potrebbe essere sfruttato, ad esempio, per monitorare la temperatura di un motore. Le misurazioni raccolte sono state trasmesse in modalità wireless a uno smartphone tramite Bluetooth.

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Figura 1: Impostazione sperimentale

 

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Figura 2: Panoramica dell'approccio

I principi di progettazione sono flessibili e non vincolati alla sola raccolta dell'energia del campo magnetico: possono essere utilizzate anche altre fonti di energia come le vibrazioni o la luce solare. Il sistema del team tiene conto di molti problemi noti che possono essere una spina nel fianco per gli sviluppatori. Raccogliere troppa energia, ad esempio, può essere un problema per i circuiti a bassa potenza impiegati in questo tipo di dispositivi. Per evitare problemi minori, come l'esplosione dei dispositivi, il sistema di gestione dell'energia regolerà automaticamente la quantità di energia raccolta. La guida tiene conto anche delle grandi quantità di energia necessarie per le operazioni ad alta intensità energetica come la comunicazione. Come passo successivo, il team prevede di lavorare verso una modellazione più accurata di quanta energia entra nel sistema e quanta ne utilizza durante il funzionamento. Modelli più accurati potrebbero estendere il funzionamento del dispositivo, il che gli consentirebbe di raccogliere dati più utili. Infine, il team intende anche esplorare mezzi di comunicazione meno energivori, come l'acustica e l'ottica.

Riferimenti

Self-powered sensor automatically harvests magnetic energy | MIT News | Massachusetts Institute of Technology

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