El internet de las cosas (Internet of Things, IoT) poco a poco se va haciendo un hueco en nuestras vidas y promete ser una auténtica revolución. Las barreras y limitaciones tecnológicas para su implantación cada vez son menores y se van superando progresivamente. Una de esas barreras está relacionada con los sensores y su alimentación. En este artículo queremos profundizar en este tema.
Importancia y problemática de los sensores IoT.
Kevin Ashton, creador del concepto de Internet de las cosas, en uno de sus artículos explicó la necesidad de que los ordenadores fueran capaces de recopilar datos por sí mismos para que las personas realmente tuviéramos el control de nuestro entorno. Sin esa capacidad de toma de datos autónoma estamos limitados por la propia cantidad de información que las personas somos capaces de introducir en los ordenadores.
Esa es la misión de los sensores en IoT: medir una magnitud para, en función de su valor, actuar consecuentemente. El nivel de monitorización que se puede alcanzar así como el tipo de variables a medir crecen día a día, y son una de las patas imprescindibles de todo sistema IoT.
Uno de los problemas a los que se enfrentan los diseñadores de sensórica IoT es su alimentación de energía, especialmente en sistemas remotos y aislados. Que los sensores cuenten con su propia batería es una solución operativa pero tiene dos grandes inconvenientes: encarece el sensor y reduce su vida útil, ya que las baterías viven menos tiempo que el propio sensor. Esto deja dos opciones: acortar la vida del sensor o diseñar la batería para que sea reemplazable.
Incluso en sensores localizados en lugares con acceso a una red de alimentación eléctrica, usar esa propia red de alimentación puede no ser la mejor opción. Por ejemplo, un sensor que vigile la apertura de una puerta o ventana de una vivienda, como parte de un sistema de seguridad. Si ese sensor se alimenta con la energía de la propia vivienda presentaría una fuerte vulnerabilidad, ya que sería muy sencillo dejar sin corriente la casa, y por lo tanto el sensor, que resultaría inútil como sistema de seguridad
Existe una solución a toda esta problemática: el energy harvesting.
¿Qué es el energy harvesting?
El Energy harvesting es el proceso por el que se absorbe energía de fuentes ambientales (solar, eólica, kinésica, etc.), se captura y se almacena en pequeños dispositivos autónomos, como por ejemplo los sensores de IoT o los objetos wereables.
La cantidad de energía que se puede obtener por estos medios es muy baja en términos absolutos, pero para la aplicación en pequeños dispositivos que necesitan muy poco consumo es muy interesante. Esta energía está en el ambiente alrededor de los dispositivos, lo que significaría que podrían alimentarse de forma autónoma obteniendo energía de su propio entorno.
El consumo de muchos dispositivos usados como sensores IoT se sitúa entre 0,1 μW y 1 W (sensores remotos, transceptores bluetooth, sistemas GPS, etc.), de forma que es alcanzable con las tecnologías de energy harvesting.
Esto es algo que ya vemos, por ejemplo, en relojes que se alimentan por la energía kinésica del movimiento de la persona. También lo vemos aunque a otra escala, en los dispositivos de medición climatológica que se encuentran repartidos por toda la geografía junto con un pequeño sistema fotovoltaico que alimenta su batería.
Las fuentes de energía de las que es posible obtener alimentación mediante energy harvesting son muy variadas, y va desde fuentes más habituales como la solar o piezoeléctrica a otras que quizá lo son menos como vibraciones, radiación electromagnética, electrostática, etc.
Energy harvesting en sensores IoT.
Volviendo a la problemática de la que hablábamos en cuanto a la alimentación de estos sensores, un sistema energy harvesting podría alimentar in situ las baterías de estos dispositivos, permitiéndolos operar de forma ininterrumpida durante el tiempo que se espera de ellos.
Estos sistemas se componen básicamente de 3 componentes: un transductor específico, un circuito de interface con o sin capacidad de almacenamiento y un receptor. El transductor se encarga de “cosechar” la energía del ambiente y convertirla en una señal eléctrica que la unidad de interfaz regula y adapta al receptor. Si el dispositivo cuenta con una unidad de almacenamiento, su instalación y alimentación inicial es más sencilla y además ofrece un colchón de seguridad en cuanto a alimentación, pero no es estrictamente necesario.
Por lo tanto, el energy harvesting es una solución tecnológica que permite alimentar a los sensores IoT incluso en lugares remotos e inaccesibles, eliminando la necesidad de una batería de carga fija como fuente de alimentación. Estos dispositivos podrían funcionar apropiadamente solo con una pequeña capacidad de almacenamiento y aprovechando la energía del entorno.
A la hora de diseñar estos dispositivos es necesario entender qué tipo de fuentes de energía hay disponibles y cuáles de ellas pueden ofrecer suficiente energía como para asegurar un funcionamiento óptimo del dispositivo.
De esta forma la vida del aparato no estaría limitada a lo que dure la batería de carga fija, sino hasta que el propio dispositivo falle o sea renovado. Para lograr esto, además de la solución de obtención de energía habría que contemplar también otras optimizaciones desde el punto de vista de la eficiencia energética del dispositivo.
Por ejemplo, podría reducirse la demanda de energía del sensor usando sistemas de comunicación que requieran menos energía y que permitan enviar la información eficientemente. Implementar sistemas de suspensión de forma que el sensor entre en un estado de standby mientras no sea necesario y que solo se active para realizar alguna acción sería también otra opción. Así, la demanda de energía se reduce haciendo que los sistemas harvesting sean suficientes para alimentar al dispositivo durante toda su vida útil.
¿Qué sectores pueden beneficiarse del energy harvesting?
Son muchos los sectores que pueden obtener beneficios de este tipo de tecnología. Por ejemplo, en dispositivos militares de defensa permite la sustitución de pesadas baterías por dispositivos autónomos o recargables, algo de gran aplicación por ejemplo en drones. En sistemas de transporte se puede aprovechar las vibraciones para generar energía. En las viviendas y comercios, el energy harvesting permitirá un mayor desarrollo de la automatización y las viviendas inteligentes. Y por supuesto, la industria base tendrá que desarrollar todos estos dispositivos, siendo una buena oportunidad de mercado.
Si quieres conocer más acerca de este tipo de tecnología puedes ponerte en contacto con nosotros.
