에너지 수확으로 배터리가 필요 없는 환경 센서

사물 인터넷(IoT)의 수용 가능성은 전 세계적으로 엄청나게 증가했지만 이러한 발전 속도는 미래에 대한 우려/두려움을 표현하는 전문가에게 도전 과제가 되고 있습니다. 2025년까지 IoT 네트워크에 연결된 장치는 750억 대라는 놀라운 수치를 초과할 것으로 추정됩니다. 이것은 전문가의 걱정과 달성한 이익이 사라지지 않도록 적절하게 준비해야 할 필요성에 신뢰를 줍니다.

이미 IoT 전문가들은 과도한 전자 장치가 일반적으로 클라우드에 대한 무선 연결로 대표되는 공통 인터페이스를 통해 통신하는 시나리오를 예상하고 있습니다. IoT 네트워크에 연결되는 장치의 수는 지속적으로 증가하고 있으며, 그 결과 연결된 장치의 폭발적인 증가에 따라 생성되는 데이터 수요를 지원하기 위해 새로운 센서 기술이 필요합니다. 이것이 IoT의 다음 과제가 될 것입니다.

“IoT의 다음 과제는 IoT의 일부가 될 장치를 식별하는 데 중점을 둘 것이라고 생각합니다. 기술적으로 스마트 장치를 설계할 수 있다고 해서 모든 장치를 IoT에 연결하는 것이 반드시 가치가 있는 것은 아닙니다.”라고 ON Semiconductor의 기술 마케팅 관리자인 Greg Rice가 말했습니다.

연결된 장치와 센서는 자동차, 산업 자동화, 스마트 홈, 소비자 컴퓨팅, 농업 및 모바일 건강을 포함한 여러 영역에서 중요한 역할을 할 것입니다. 감지, 수집 및 집계된 데이터는 기하급수적으로 증가하여 2025년에는 하루에 125엑사바이트의 데이터 트래픽이 예상됩니다. IoT에 연결된 장치에서 생성되는 이러한 대용량 데이터를 관리하는 것은 어려운 과제가 될 것입니다.

Rice는 과제를 안고 앞으로 나아갈 길을 제시하며 “IoT 에지에서 생성되는 모든 데이터가 클라우드를 통해 전송되면 네트워킹 인프라에 혼잡이 발생할 수 있습니다. 모든 것을 클라우드를 통해 네트워크의 코어로 보내는 것보다 IoT 에지에서 기본적인 데이터 분석 및 집계를 수행하는 것이 더 효율적일 수 있습니다.”

에너지 수확

에너지 하베스팅은 IoT 장치의 기하급수적인 성장으로 인해 발생하는 문제에 대처하는 데 매우 중요합니다. Rice는 에너지 수확의 문제가 전력 수확의 효율성과 에너지 수확을 통해 구동되는 장치의 신뢰성에 집중되어 있다고 믿습니다. 에너지 수확을 위한 장치는 매우 적은 양의 전력으로 작동하며, 설계는 기술 성능과 전력 소비 감소 사이에서 여러 번 절충안입니다. Rice는 “에너지 수확을 통해 작동하도록 설계된 장치의 문제는 설계 프로세스에서 이러한 절충안의 올바른 균형을 찾는 것입니다.”라고 강조했습니다.

또 다른 관련 문제는 에너지 수확을 위한 전원입니다. 낮 시간 동안 태양광 발전 장치는 사용 가능한 햇빛을 활용하여 효율적으로 작동할 수 있습니다. 그러나 야간 작업에 대해서는 동일하게 말할 수 없습니다. 마찬가지로, 에너지 수확을 위해 RF 전력을 사용하는 장치는 특정 신호 강도를 가진 RF 필드가 있어야 합니다. 에너지 수확 장치를 지원하기 위해 더 많은 RF 필드가 배포되는 경우 관련 건강 위험을 신중하게 평가해야 합니다.

무배터리 센서

ON Semiconductors는 IoT 네트워크를 위한 혁신적인 무선 및 무배터리 센서 제품군을 설계했습니다. Smart Passive Sensors™(SPS) 장치 제품군을 사용하면 네트워크 에지에서 온도, 압력, 습기 또는 근접성을 모니터링할 수 있습니다. 환경 센서는 공장이나 건물과 같이 멀리 떨어진 곳이나 넓은 지역에 배치되는 경우가 많기 때문에 배터리를 자주 교체하는 것은 경제적인 작업이 아닙니다. 에너지 수확, 특히 SPS 센서용 RF 전력은 이 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 각 SPS 센서는 RFID 리더가 있는 산업 표준 UHF Gen 2 프로토콜을 통한 무선 통신용 안테나 블록이 있는 배터리 및 마이크로프로세서가 필요 없는 RFID 센서 태그입니다. SPS 센서가 RF 판독기에 의해 조사되면 신호에서 수신된 에너지를 사용하여 센서에서 빠르고 정확한 판독값을 제공합니다.

그림 1:SPS 센서 기능 블록

“이 센서 네트워크는 RF 에너지 수확을 사용하여 작동하도록 설계되었습니다. 연결된 안테나를 통해 RF 전력을 전송하는 중앙 센서 허브가 있습니다. 개별 센서 노드는 무선이며 배터리가 필요 없으며 주변 RF 필드의 에너지를 센서 노드의 전자 장치용 전원으로 변환하여 작동합니다.”라고 Rice는 설명했습니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 각 센서 허브는 리더 모듈과 처리 모듈의 두 가지 핵심 블록을 통합합니다. 리더 모듈은 프로토콜별 기능을 수행하여 센서와 통신하고 원시 센서 데이터(EPC, Temp, RSSI, 코드 등)를 처리 모듈에 노출합니다. 처리 모듈은 추가 분석을 위해 센서 데이터를 집계하고 형식을 지정합니다. 센서 허브 연결 기능에는 WiFi, 이더넷, 블루투스 및 추가 분석, 분석 및 결정을 위해 센서 데이터를 클라우드로 보내는 데 적합한 기타 프로토콜이 포함됩니다.

그림 2:센서 허브 블록 다이어그램

전체 센서 IoT 아키텍처는 그림 3에 나와 있습니다. 센서 허브는 여러 센서에서 데이터를 수집하고 클라우드를 통해 연결된 다른 장치와 통신하여 새로운 애플리케이션 및 시나리오에서 IoT를 활성화합니다.

그림 3:센서 IoT 아키텍처

감지 블록의 중심에는 UHF 리더에서 수집한 RF 에너지로 구동되는 UHF RFID 칩인 RF Micron의 Magnus-S2© 센서 IC가 있습니다. Magnus-S2는 다양한 환경 조건에서 성능을 최적화하기 위해 RF 프론트 엔드를 조정하는 특허 받은 자가 조정 카멜레온 엔진을 활용합니다. 이러한 센서 태그는 FCC 정의 UHF 대역 또는 ETSI UHF 대역에서 작동합니다. Smart Passive Sensor의 소형 폼 팩터와 배터리가 필요 없는 기능을 통해 크기와 접근성이 가장 중요한 애플리케이션에 맞게 설계할 수 있습니다.

SPS 장치 제품군에는 다음이 포함됩니다.

• 금속, 비금속 및 세라믹 표면의 수동 온도 감지용으로 설계된 온도 센서. 애플리케이션에는 산업 및 데이터 센터의 예측 유지 관리가 포함됩니다.
• 플라스틱, 목재, 세라믹, 토양 및 석고로 만들어진 다양한 표면 또는 완제품의 수분을 수동적으로 감지하도록 설계된 수분 센서. 응용 분야에는 다양한 산업 환경에서 수분 수준 또는 누출 감지 및 품질 관리가 포함됩니다.
• 플라스틱과 같은 얇은 표면을 통해 유체를 수동적으로 감지하도록 설계된 유체 레벨 센서입니다.

결론

IoT 네트워크에 연결된 장치의 수는 모든 기술 분야와 관련된 응용 프로그램과 함께 지속적으로 증가하고 있습니다. IoT 분야의 성공과 확장은 관련된 센서의 특성과 성능에 전적으로 달려 있습니다. 기존의 센서 네트워크를 보완하려면 새로운 센서 기술이 필요합니다. 클라우드 연결 기능이 있는 배터리가 필요 없는 무선 센서는 데이터 센터, 산업 예측 유지 관리, 건설 및 전력, 콜드 체인, 디지털 농업 및 스마트 의료와 같은 다양한 애플리케이션에서 환경 조건의 향상된 모니터링을 가능하게 합니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 Power Electronics News.