A medida que Internet de las Cosas sigue creciendo, consume cada vez más energía. Ya en 2013, el consumo de energía de todos los dispositivos en red a nivel mundial ya era igual a la demanda total de energía eléctrica en Alemania en su conjunto, según un estudio realizado por la Agencia Internacional de Energía en París. Un nuevo hardware permite que IoT sea más eficiente y sostenible.
El proyecto ZEPOWEL Lighthouse de Fraunhofer ha impulsado el desarrollo de un hardware que no solo hace que los sensores sean energéticamente eficientes, sino que incluso les permite ahorrar energía. Como punto de partida, el proyecto se centra en dos nodos de sensores: uno para controlar las máquinas y otro para medir la calidad del aire en la ciudad.
©Fraunhofer-Gesellschaft – IC de interfaz analógica de microvatios.
Sensores IoT con eficiencia energética
Ocho Institutos Fraunhofer unieron fuerzas hace algún tiempo para formar el proyecto del faro Fraunhofer ZEPOWEL, con el objetivo de desarrollar nodos sensores de alta eficiencia energética. Este año verá la introducción de dos soluciones que abordarán el desafío que presenta el consumo energético desde dos perspectivas diferentes. Uno de ellos consiste en un nodo sensor autosuficiente que se abastece de energía y recopila datos ambientales sobre la calidad del aire, por ejemplo. El otro involucra un nodo sensor que registra el estado operativo de máquinas, motores o bombas para reducir drásticamente su consumo de energía.
«El hardware del nodo sensor que hemos desarrollado en el proyecto se distingue porque se puede construir de forma modular a partir de varios bloques de construcción, lo que le permite adaptarse a una variedad de aplicaciones», explica Erik Jung, miembro del equipo del proyecto en el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y microintegración IZM, que ha reunido los desarrollos individuales de los institutos participantes para crear un todo funcional.
«Varios socios han contribuido con sus conocimientos sobre cómo crear chips eficientes y controles electrónicos, mientras que otros han ofrecido su experiencia en la construcción de baterías y convertidores de energía pequeños y eficientes, y en protocolos inalámbricos seguros».
Sensor autosuficiente para la Smart City
Una característica importante del nodo sensor autosuficiente, conocido como el “nodo de la ciudad inteligente”, es que entra en un modo de sueño profundo que ahorra mucha energía cuando no es necesario. En este estado, consume solo unos pocos nanovatios. Solo se enciende cuando se activa de forma inalámbrica, por lo que puede medir partículas y transmitir las mediciones utilizando tecnología inalámbrica, por ejemplo. El nodo de Smart City se instalará en automóviles y autobuses durante los próximos meses. Aprovechando un convertidor de energía, obtiene su potencia de las vibraciones que experimenta durante los viajes.
“Estos nodos son pequeños y asequibles, no requieren mantenimiento y se pueden usar en muchos lugares, lo que hace posible establecer una red de medición altamente integrada”, afirma Erik Jung.
En el futuro, sensores como estos también podrían implementarse en aplicaciones agrícolas para medir la humedad del suelo y el contenido de nutrientes en sitios específicos con un alto nivel de precisión, lo que permite a los agricultores regar y fertilizar su tierra de una manera más específica. Esta agricultura de precisión basada en sensores está ganando impulso, agrega Jung.
Enseñar a las máquinas a ahorrar energía
El segundo tipo de nodo sensor se utilizará en máquinas con motores, inicialmente en máquinas herramienta para la Industria 4.0. Incluso hoy en día, muchas máquinas que deben iniciarse y detenerse manualmente siguen en uso. Una vez que se ha completado un pedido, continúan inactivos hasta que alguien presiona el botón de encendido / apagado. Además de la tecnología de medición, el nuevo nodo sensor ahora contiene una electrónica de potencia innovadora para disparar 15 kilovatios a voltajes de conmutación de hasta 850 voltios. El nodo está conectado a la máquina y luego puede encenderlo y apagarlo u operarlo a la velocidad requerida. “En el mundo industrial, todavía hay muchas máquinas que no tienen control de velocidad”, afirma Erik Jung. Reemplazarlos con máquinas nuevas sería enormemente costoso, por lo que tiene sentido equiparlos con el nodo sensor inteligente en su lugar, agrega.
“En una estimación aproximada, las emisiones de dióxido de carbono en Alemania se reducirían en alrededor de un 20 por ciento si la industria hiciera un uso extensivo de sensores inteligentes con controles integrados”, dice Jung.
El proyecto del faro ZEPOWEL ahora ha demostrado cómo se puede hacer.
Proyecto Fraunhofer ZEPOWEL Lighthouse
El proyecto del faro ZEPOWEL, abreviatura de Towards Zero Power Electronics, está programado para ejecutarse durante tres años y finalizará durante la segunda mitad de 2021. Involucra a ocho Institutos Fraunhofer en total: además del Instituto Fraunhofer de Confiabilidad y Microintegración IZM , estos son la Institución de Investigación Fraunhofer para Microsistemas y Tecnologías de Estado Sólido EMFT, el Instituto Fraunhofer de Sistemas Cognitivos ISK, el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF, el Instituto Fraunhofer de Circuitos Integrados IIS, el Instituto Fraunhofer de Sistemas Integrados y Tecnología de Dispositivos IISB, la División de Ingeniería de Sistemas Adaptativos EAS, el Instituto Fraunhofer de Microsistemas Fotónicos IPMS y el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Silicio ISIT.
Fuente: Fraunhofer
