Garantir energia para dispositivos IoT desafia a indústria

A IoT abriu um horizonte enorme de oportunidades, mas também grandes desafios. Um deles é o consumo de energia dos dispositivos conectados a ela. Conforme definida pela Internet Engineering Task Force (IETF), a Internet da Coisas (IoT – Internet of Things) é a rede de objetos físicos ou “coisas” incorporadas com eletrônicos, software, sensores e meios de conectividade para troca de dados com fabricantes, operadores ou outros dispositivos.

No entanto, essas “coisas” devem ser alimentadas por energia para que possam funcionar de modo adequado. Mais do que isso, precisam trabalhar eficientemente do ponto de vista de consumo de energia, dado o número crescente de objetos conectados à IoT. O IDC prevê que haverá 55,7 bilhões de dispositivos conectados em todo o mundo em 2025, 75% dos quais estarão interligados a uma plataforma IoT.

A Internet da Coisas tem sido um elemento fundamental para muitas aplicações modernas, que vão desde o monitoramento de mares e exploração do espaço sideral até previsão de desastres naturais. Por exemplo, dispositivos IoT podem ser usados para observar gases emitidos por vulcões em localidades muito remotas e perigosas.

Em muitos desses cenários seria impossível contar com redes elétricas públicas como fonte de energia para alimentar os dispositivos IoT. Baterias poderiam ser uma opção, mas talvez não interessante nem da perspectiva econômica nem da ambiental. Além disso, exigiriam substituição frequente, o que poderia se tornar inviável em ambientes inóspitos.

Uma das abordagens para atacar o problema relacionado ao consumo e à eficiência energética dos dispositivos IoT é buscar fontes de energia no ambiente ao redor de onde os dispositivos estão localizados (ambient energy harvesting). A técnica, que não pode ser considerada nova, conta com diversas modalidades de captação que podem ser até combinadas Entre elas, estão:

• Uso de energia solar, que é uma boa opção para dispositivos IoT expostos à luz do sol;
• Uso de energia eólica, por exemplo, para aplicações de monitoramento agrícola;
• Uso de materiais piezelétricos, para transformar estresse mecânico em cargas elétricas, por exemplo, em calçados durante caminhadas ou corridas.
• Uso de materiais termoelétricos que se baseiam em gradientes de temperatura, por exemplo, do metabolismo humano para aplicação em dispositivos médicos.

A mais recente empreitada nesse campo está usando a Inteligência Artificial (IA). Cientistas da Universidade de Pittsburgh e da Universidade de Notre Dame querem aplicar inteligência artificial para estender a vida útil dos sensores e dispositivos implantados sob uma ponte para monitoramento da integridade da estrutura. Esses equipamentos sem fio são operados por bateria e costumam ser colocados em áreas de difícil acesso, o que complica a manutenção.

O dilema dessa classe de dispositivos IoT e de muitas outras está no equilíbrio entre número de amostras para garantir a melhor interpretação da realidade e consumo de energia. É natural que quanto mais tempo o dispositivo se mantiver ativo para detectar mudanças e transmitir dados, maior é o consumo de energia e menor a vida útil da bateria.

A proposta da Universidade de Pittsburgh é usar dois tipos de sensor. O principal fará o trabalho pesado de monitoramento, enquanto um menor atuará como um cão de guarda que despertará o sensor maior, quando necessário. O tipo menor será alimentado por energia coletada do ambiente e, com ajuda da IA, será treinado para reconhecer padrões e ativar o sensor principal maior em caso de um evento específico. Os sensores principais ainda precisarão usar baterias, mas vão consumir menos energia, pois serão acionados apenas quando necessário.

Segundo os cientistas, um dos obstáculos de executar algoritmos de IA em dispositivos desse tipo é que a energia coletada do ambiente é intermitente e há riscos de perder os dados armazenados. Eles estão trabalhando para encontrar uma maneira de ajudar os algoritmos de IA a chegar a uma decisão precisa, mesmo nesse caso.

Eficiente também para transmitir

As tecnologias de comunicação usadas por dispositivos também podem afetar a eficiência energética da IoT. As soluções sem fio de baixa potência podem ser uma boa solução para IoT e podem ser classificadas pelo critério de alcance:

1. Curto alcance – São redes geralmente usadas para soluções com um alcance de menos de 1.000 metros, mas podem ser consideradas para transmissões em áreas maiores em topologia de malha. As mais populares são Radio Frequency IDentification (RFID), Bluetooth Low Energy (BLE) e Zigbee.

2. Longo alcance – São redes que podem superar 1.000 metros. Em geral, uma única estação-base pode atender a milhares de dispositivos. Alguns exemplos são DASH7 para até 2 km; Sigfox; LoRaWAN e NB-IoT. Uma análise detalhada da eficiência energética dessas tecnologias de transmissão para aplicações IoT podem ser encontradas aqui.