Интернет вещей (IoT) неуклонно развивается. Уже сейчас ему нужно огромное количество сетевых сенсорных узлов, которые собирают, оценивают и обрабатывают данные в сети. В то же время огромное энергопотребление этих узлов представляет серьёзную проблему. Согласно исследованию Международного энергетического агентства, в 2013 году энергия для питания всех сетевых устройств в мире равнялась общему спросу на электроэнергию в Германии. Через несколько лет эта потребность увеличится почти вдвое до 1140 ТВт в год, при этом значительная доля этого роста придётся на Интернет вещей – поэтому так важно, чтобы датчики стали более энергоэффективными.
Пока что промышленность и разработчики не придумали единого решения: для каждого проекта разрабатывается специальное аппаратное обеспечение IoT, более или менее энергоэффективное. Общество Фраунгофера хочет это изменить: в знаковом проекте Towards Zero Power Electronics (ZEPOWEL) разрабатывается единое и при этом энергоэффективное аппаратное решение.
Следующий шаг – добиться от сетевых датчиков полностью автономной работы. Общество Фраунгофера использует для этого два метода: во-первых, сами узлы должны потреблять значительно меньше энергии, а во-вторых, связь с другими системами также будет экономить энергию. Цель проектной команды Института надёжности и микроинтеграции Фраунгофера – создание таким образом технологической платформы для глобального Интернета вещей. Для этого институтам Фраунгофера нужно решить несколько задач.
1. Создание высокоэффективных компонентов для надёжной и защищённой связи. В рамках описываемого проекта разрабатываются новые технологии. Например, активируемый приёмник со сверхнизким энергопотреблением, который позволит датчику не передавать данные постоянно, а «пробуждаться» на определённом этапе или по защищённому внешнему запросу. Ожидается, что модуль, разработанный для проекта, будет в 1000 раз более эффективным, чем существующие стандартные радиорешения. Приёмник воспринимает только разрешённые и шифрованные защищённые сигналы, которые предназначены именно для него – т.е. датчик может оставаться в режиме ожидания с минимальным потреблением энергии, а при необходимости немедленно активироваться WakeUp-приёмником.
2. Более точные измерения с меньшими энергозатратами. Кроме того, в проекте заложена разработка уникальной сенсорной технологии: датчик качества воздуха в связке с микронасосом. Насос будет служить катализатором измерений, значительно увеличивая объём подаваемого воздуха. В результате датчик с меньшей чувствительностью будет предоставлять гораздо более точные данные. В то время как современные датчики обеспечивают 5000 измерений, потребляя 1250 мкВт/с, ожидается, что новый датчик будет обеспечивать вдвое больше показаний с затратами менее 10 мкВт.
Датчик предназначен для измерения выбросов твёрдых частиц в городах. Обычно такие исследования чрезвычайно трудоёмки, поэтому их можно выполнить только на нескольких узлах одновременно, однако новая технология обеспечит более плотные и точные измерения. Интеллектуальная сеть узлов, подключённая к общим облачным платформам, позволит создать детальную модель мелкодисперсных выбросов в городах. Использовать её можно по-разному: например, для управления транспортным потоком или адаптации маршрута навигационными системами с опорой на её данные.
3. Улучшение самообеспечения датчиков электричеством. Необходимо оптимизировать не только энергоэффективность сбора и передачи данных, но и энергоэффективность самих датчиков. С этой целью нужно разработать широкополосный коллектор для получения энергии из окружающей среды. Его эффективность будет в 4 раза выше, чем у современных разработок: чтобы собрать 100 мкВт энергии из окружающей среды, ему потребуется только четверть площади, а именно 5×5 мм2. Энергия хранится в недавно разработанной тонкоплёночной батарее, которая встроена непосредственно на аппаратный чип. Такой подход (полная интеграция аккумулятора, коллектора и конвертера) является уникальным.
Чтобы понять, как это может работать, приведём пример: если бросить что-либо на землю, энергия будет генерироваться в диапазоне от нескольких герц до нескольких килогерц, поэтому поглотитель, который резонирует только на 100 Гц, может поглощать лишь небольшую энергию броска. Однако если разработать резонатор, который будет поглощать энергию в широком диапазоне частот, то энергии будет получено значительно больше.
4. Создание модульного сборного комплекта для каждого проекта. В рамках проекта ZEPOWEL стоит цель отказаться от разработки уникальных узлов – вместо этого используется модульный подход, основанный на принципе Plug-and-play. Здесь можно провести аналогию с кубиками «Лего», каждый из которых фактически является подключаемым модулем, подходящим для многих систем. В результате институты создают систему из отдельных решений, которые могут быть объединены по желанию. Хотя обычно для каждого проекта Интернета вещей создаётся определённое аппаратное решение, в данном проекте разрабатывается универсальное оборудование, которое позволит заказчику выбирать наилучший для него вариант в зависимости от поставленных задач.
