Apagão de baterias para IoT – como evitar ou se prevenir

Imagine um mundo ideal no qual, tanto no nível de pequenos espaços industriais quanto de grandes regiões geográficas, sensores e dispositivos estejam conectados via Internet das Coisas (IoT) para gerar mais produtividade ou melhorar a qualidade de vida. Esse sonho já começou a se tornar realidade. Agora pense na quantidade de baterias que seria necessária para alimentar tudo isso e um volume ainda maior futuramente. Aí começa o pesadelo.

De acordo com a pesquisa do ResearchAndMarkets.com, os altos custos envolvidos no desenvolvimento de baterias finas e flexíveis e as implicações ecológicas relacionadas ao descarte desses componentes podem dificultar o crescimento desse mercado tão vital para as aplicações IoT. E se houver um apagão de baterias?

Então, para acordar do pesadelo da falta de baterias antes que ele se torne uma realidade infeliz, existem algumas recomendações que podem ser seguidas ao projetar ou selecionar sistemas de rádio sem fio de baixa potência comumente usados na IoT. Com elas, será mais fácil encontrar a melhor relação entre consumo de energia das baterias e características das soluções de IoT:

• Tipos de bateria: Quando o sistema de rádio requer fluxos infrequentes de corrente ou quando o projeto prevê modelos recarregáveis, as opções de bateria são geralmente limitadas. Além disso, os sistemas de rádio de baixa potência costumam usar pouca energia enquanto estão na chamada fase de sono, mas exigem grandes pulsos de corrente para serem acordados. Algumas baterias não são adequadas para isso. Consulte a folha de especificações do fabricante.

• Tipos de conexão: Há sistemas de rádios de curto alcance, como ZigBee, Bluetooth e Wi-Fi, até modelos de longo alcance e baixa potência, entre eles LoRaWAN, SigFox e redes de celular. Então, fique atento às características de cada tipo de sistema de rádio, como comprimentos de onda e frequência.

Alguns comprimentos de onda se propagam muito melhor do que outros, o que significa maior eficiência energética. Teoricamente, frequências mais baixas tendem a se propagar melhor do que as mais altas (na prática, o cenário pode ser diferente), mas a taxa de transferência de dados pode ficar reduzida. Freqüências mais altas tendem a cobrir distâncias mais curtas, mas têm largura de banda maior e velocidades de transmissão mais altas. Quanto mais longa a distância que os sinais precisam percorrer, mais lenta será a velocidade em geral.

Em termos de topologia dos sistemas de rádio, as versões em estrela são ideais quando o dispositivo-mestre não é alimentado por bateria e pode gerenciar as cargas sozinho. Em casos em que todos os dispositivos são de baixa potência, as redes em malha com vários repetidores podem ser mais adequadas.

• Fatores ambientais: Ambientes frios costumam reduzir a vida útil da bateria. Altas temperaturas também podem afetar negativamente alguns modelos.

• Antenas: O bom ajuste das antenas permite minimizar o consumo de energia para atingir o alcance desejado.

• Responsividade: Em geral, dispositivos IoT sem fio de baixa potência devem atingir o estado “acordado” rapidamente, ou seja, ter o menor tempo de resposta possível. Geralmente, há um ou mais componentes dedicados a despertar o processador principal. No entanto, pense bem antes de desligar o dispositivo, pois nem sempre é  um bom método para economizar energia da bateria. 

• Sincronismo: Em casos em que dispositivos precisem se comunicar entre si, ambos devem estar e permanecer sincronizados. Recomendamos minimizar o uso dos receptores para preservar a bateria, mantendo-os em modo de economia de energia/suspensão. Então, como fazer a comunicação sem erros? Para isso, existem vários protocolos para garantir a transmissão correta dos dados, com detecção de erros, por exemplo.

• Clock: Todo dispositivo usa algum tipo de relógio, que pode variar com a temperatura. Portanto, é recomendável ficar atento aos fatores ambientais que possam gerar diferenças de tempo entre dispositivos e, consequentemente, elevar o consumo de energia da bateria na tentativa de promover o sincronismo.

• Transmissor: Quando o transmissor está ligado, o sistema de rádio de baixa potência está em seu consumo máximo. Portanto, faz sentido pensar em minimizar o volume de dados transmitidos.

• Atualizações: Existem duas maneiras de atualizar um sistema de rádio: manualmente ou Over The Air (OTA), por meio da qual onde o próprio rádio atualiza seu código. As atualizações OTA são geralmente muito mais eficientes, mas há uma chance maior de algo dar errado. Considere fatores como a segurança e a disponibilidade do sistema.

Futuro da IoT: sem baterias?

Com a visão de livrar o mundo da IoT Industrial das baterias e abrir caminho para a era de sistemas com alimentação própria, a Everactive foi fundada em 2012. Seus fundadores ouviam frequentemente relatos de plantas industrias que temiam empregar soluções IoT com sensores alimentados por bateria e acabar enfrentando problemas relacionados a substituições constantes desses componentes.

Além das limitações da bateria, também havia questões associadas às redes sem fio. Para atender com eficácia às demandas de uma fábrica, por exemplo, seria preciso uma rede com alta densidade de sensores para cobrir ambientes maiores cobertos por sinais transmitidos sem cabos.

São esses dois pontos que a Everactive se propõe a resolver – livrar-se das baterias com sensores que exigem mínima manutenção e possuem alta durabilidade; e reinventar as redes sem fio com uma tecnologia de circuitos integrados de ultrabaixa potência.

O primeiro produto oferecido com os Eversensors monitora purgadores de sistemas de vapor usados tanto em pequenas fábricas quanto em grandes refinarias de petróleo. Outra solução inclui sensores de monitoramento para máquinas rotativas, como motores e bombas. Gerando custos de manutenção e substituição bem menores, é possível implantar os sensores em uma escala maior do que os alimentados por bateria e assim  proporcionar mais visibilidade sobre as operações industriais.

Os fundadores da Everactive dizem que estão a alguns anos de oferecer sensores translúcidos, flexíveis e do tamanho de um selo postal. Com a facilidade de instalação e uso proporcionada por eles, será possível ir muito além do chão de fábrica.

Já a empresa belga e-peas Semiconductor se concentrou em tornar mais eficiente o processo de coletar energia do próprio ambiente para sistemas IoT, não necessariamente em se livrar das baterias por completo.

Um dos desafios nesse contexto tem a ver com o fato do fluxo de energia vindo de fontes como solar, térmica ou de vibrações não ser contínuo de forma confiável. O segundo desafio está relacionado com a comunicação sem fio dos dispositivos IoT, que requer fluxo de energia não contínuo, com picos durante a transmissão de dados, muitas vezes não suportados por baterias convencionais.

Para contornar esses obstáculos, a e-peas oferece PMICs (Power Management Integrated Circuits) específicos para captação de energia. Um deles trabalha com energia solar, permitindo até sete células como entrada e melhor desempenho no carregamento e balanceamento dos supercapacitores, atendendo assim às demandas atuais dos sistemas RF. Outro modelo de PMICs, com  especificações semelhantes, é voltado para coleta de energia a partir de vibrações.