Memanfaatkan Energy Harvesting untuk Perangkat Edge IoT yang Handal
Penerapan IoT semakin meluas seiring dengan adopsi transformasi digital oleh organisasi, dan kehidupan cerdas—di kota, pabrik, dan pertanian—menjanjikan peningkatan kualitas hidup dan keberlanjutan.
Titik akhir IoT biasanya berupa sensor—atau, lebih jarang, aktuator—yang terhubung secara nirkabel ke agregator atau gateway internet. Mereka diterapkan dalam jumlah besar dan tersebar di area yang luas. Pemeliharaan lapangan, seperti penggantian baterai primer yang habis, seringkali terlalu mahal dan menghasilkan limbah lingkungan yang tidak dapat diterima.
Insinyur dapat menghindari penggantian baterai dengan merancang titik akhir dengan cadangan energi yang cukup untuk masa pakai yang diharapkan, seringkali beberapa tahun. Bentuk koin-sel biasanya dipilih karena keterbatasan ukuran. Jika energi yang tersimpan tidak mencukupi, sel yang lebih besar dapat digunakan.
Alternatifnya, merancang ulang rangkaian untuk mengurangi konsumsi daya keseluruhan di bawah kapasitas penyimpanan sel yang tersedia dapat membantu. Baik strategi satu atau campuran keduanya mungkin masih tidak mencapai target.
Pemetaan energi mikro, yang menghasilkan mikrowatt atau miliwatt daya, menawarkan sumber listrik yang berguna dan potensial tak terbatas yang dikumpulkan dari lingkungan sekitar. Ini dapat menambah atau menggantikan sel primer, tergantung pada aplikasi dan energi sekitar yang tersedia. Dalam beberapa kasus, energi yang dipanen dan dikonversi dapat memdayakan rangkaian secara langsung; dalam kasus lain, menyimpannya dalam buffer sampai diperlukan lebih sesuai.
Dalam setiap kasus, sumber energi sekitar yang sesuai diperlukan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Di antara berbagai subsistem titik akhir IoT, radio memakan energi paling banyak. Menganalisis kebutuhannya dapat memandu desain dan integrasi sistem pemetaan energi.
Konsumsi daya subsistem radio
Memilih teknologi nirkabel yang paling sesuai untuk memberikan laju data dan jangkauan komunikasi yang diperlukan dengan konsumsi daya terendah adalah kunci.
Jika sensor terletak hanya pada jarak dekat dari agregator atau gateway—seperti hub atau router yang terhubung ke Internet atau pertukaran telekomunikasi lokal—teknologi seperti Bluetooth, Zigbee, atau Wi-Fi mungkin sesuai, tergantung pada laju data yang diperlukan dan batasan biaya. Untuk titik akhir yang tersebar di area geografis yang luas, koneksi LPWAN atau seluler mungkin diperlukan. Gambar 1 membandingkan konsumsi daya, laju data, jangkauan maksimum typikal, dan biaya relatif dari teknologi utama yang digunakan dalam aplikasi IoT.
Jangkauan, laju data, dan konsumsi daya juga dapat diekspresikan secara numerik untuk membantu perbandingan langsung. Seperti yang ditunjukkan Gambar 2, subsistem nirkabel dapat mengkonsumsi daya dari sekian sedikit 150 µW hingga 400 mW.
Untuk memahami sepenuhnya dampaknya terhadap permintaan energi keseluruhan sistem, siklus kerja harus dipertimbangkan. Aplikasi seperti meter utilitas cerdas mengirim paket data kecil beberapa kali sehari atau setiap beberapa hari. Lainnya—seperti kamera keamanan—mungkin perlu mengirim sejumlah besar data secara sering atau berkelanjutan. Tergantung pada aplikasi, siklus kerja dapat dikurangi dengan memfilter data secara lokal sebelum mengirim; kamera, misalnya, mungkin mencakup sensor gerakan untuk mulai merekam hanya ketika aktivitas terdeteksi, atau pemrosesan gambar tersemat dapat membuang frame yang tidak menarik. Energi yang diperlukan untuk memfilter data harus ditimbangkan dengan penghematan dari siklus kerja yang lebih rendah untuk memastikan manfaat bersih.
Sumber energi sekitar
Dengan gambaran yang jelas tentang kebutuhan energi subsistem nirkabel, sumber sekitar yang sesuai dan teknologi pemetaan energi mikro dapat dievaluasi.
Teknologi pemetaan energi mikro utama yang dapat memdayakan sistem ini adalah larik sel surya, konverter piezoelektrik atau elektrostatik yang diaktifkan oleh getaran, dan perangkat Peltier yang mengonversi gradien suhu menjadi gaya gerak listrik (EMF). Energi RF yang ditangkap melalui antena patch atau coil umumnya hanya cocok untuk aplikasi IoT yang paling hemat. Gambar 3 membandingkan densitas energi typikal dari teknologi ini. Dengan menggunakan informasi ini, sebuah teknologi dapat dipilih dan spesifikasi dapat dikembangkan dengan menilai ukuran dan performa komponen.
Sel surya dengan luas 35–40 cm² dapat menghasilkan sekitar 0,5 W, dengan asumsi efisiensi sekitar 20 %. Sel ini tersedia dengan harga kurang dari $1 setiap dalam volume besar, sedangkan pemanen piezoelektrik biasanya setidaknya setengah kali lipat lebih mahal dan menghasilkan energi lebih sedikit. Sel surya kurang efisien di dalam ruangan, tetapi pemanen indoor terbaru klaim memiliki output yang cukup untuk radio daya rendah.
Menggabungkan semuanya
Dengan memanfaatkan kemajuan ini, pemetaan energi mikro dapat mengurangi atau menghilangkan baterai di titik akhir IoT. Karena sumber sekitar tidak teratur dan mungkin tidak tersedia saat perangkat perlu mentransmiter atau menerima data, buffer energi—seperti baterai rechargeable, kapasitor, atau superkapasitor—biasanya diperlukan. IC manajemen daya pemetaan energi (EH PMIC) mengelola energi dari subsistem pemetaan, mengisi buffer, dan memdayakan beban saat diperlukan, seperti yang ditunjukkan Gambar 4. Berbagai teknologi pemetaan memiliki karakteristik listrik yang berbeda. Pemanen termoelektrik menghasilkan arus DC tegangan rendah berkelanjutan dan memiliki impedansi rendah; sel surya juga menghasilkan tegangan DC rendah, tetapi arus—dan oleh karena itu impedansi—bervariasi dengan tingkat cahaya.
EH PMIC typikal yang tersedia di pasar saat ini memiliki arsitektur tetap dan rentang tegangan input yang disesuaikan dengan jenis pemanen tertentu. Ini membatasi kemampuan untuk menggabungkan beberapa sumber energi jika satu saja tidak dapat memenuhi persyaratan sistem. Ketika beberapa sumber diperlukan, EH PMIC khusus diperlukan untuk masing-masing, menambahkan biaya, ukuran, konsumsi daya, dan kompleksitas desain.
Beberapa EH PMIC dapat disetel dengan rangkaian eksternal untuk mengkondisikan output pemanen. Untuk menyederhanakan desain sistem, EH PMIC Trameto—disebut OptiJoule—menawarkan input yang secara otomatis menyesuaikan dengan berbagai pemanen yang terhubung dan memaksimalkan daya yang dikirim ke buffer, tanpa rangkaian eksternal. Versi tersedia untuk input tunggal atau hingga empat input. Versi multi-input memungkinkan koneksi pemanen yang sama atau berbeda. Dengan perangkat OptiJoule, kapasitas pemetaan energi mikro dapat diskalakan, satu PMIC dapat melayani beberapa aplikasi, dan pilihan teknologi pemetan dapat ditunda hingga lebih tardi dalam pengembangan produk.
Kesimpulan
Kemajuan dalam protokol radio yang dioptimalkan, desain mikroprosesor rendah energi, sensor daya rendah, dan meningkatnya efisiensi pemetaan energi mikro telah membuat energi sekitar menjadi sumber yang viable untuk mengurangi atau menghilangkan baterai di perangkat edge IoT. Perkembangan EH PMIC terbaru memberikan fleksibilitas untuk mengelola ukuran, biaya, dan kompleksitas saat mengintegrasikan teknologi pemetaan energi mikro yang dipilih.
