에너지 하베스팅으로 구동되는 배터리 프리 센서, 차세대 IoT 혁명 주도

IoT(사물인터넷) 채택이 전 세계적으로 급증했지만, 급속한 확장은 엔지니어와 정책입안자 모두에게 복잡한 과제를 안겨줍니다. 예측에 따르면 2025년까지 글로벌 IoT 네트워크에 750억 개 이상의 연결된 기기가 호스팅될 수 있으며, 이는 강력하고 확장 가능한 솔루션 준비의 시급성을 강조합니다.

업계 전문가들은 수백만 개의 전자 기기가 통합된 통신 패브릭(일반적으로 클라우드 서비스로의 무선 링크)을 공유하는 미래를 예측합니다. 이 생태계의 폭발적인 데이터 수요를 지원하기 위해 혁신적인 센서 기술이 필수적입니다.

"IoT의 다음 과제는 어떤 기기가 IoT의 일부가 될지 식별하는 데 집중될 것이라고 믿습니다. 스마트 기기를 설계하는 것이 기술적으로 가능하다고 해서 반드시 모든 기기를 IoT에 연결하는 가치가 있는 것은 아닙니다."라고 ON Semiconductor 기술 마케팅 매니저 Greg Rice는 말합니다.

커넥티드 센서는 자동차, 산업 자동화, 스마트 홈, 가전, 농업, 모바일 헬스에서 중추적 역할을 할 것입니다. 2025년까지 일일 125엑사바이트의 예상 트래픽으로 이 데이터 홍수를 효율적으로 관리하는 것이 중요한 과제가 될 것입니다.

Rice는 에지에서 생성된 모든 바이트를 클라우드로 보내면 네트워크 인프라가 혼잡해질 수 있다고 강조합니다. "IoT의 에지에서 기본적인 데이터 분석과 집계를 수행하고 모든 것을 클라우드를 통해 네트워크 코어로 보내는 것보다 더 효율적일 수 있습니다."라고 그는 언급합니다.

에너지 하베스팅은 IoT의 기하급수적 성장을 지속하는 열쇠입니다. 주요 과제는 하베스팅 효율과 기기 신뢰성입니다. 하베스팅 구동 기기는 종종 미세한 전력 예산으로 작동하여 설계자가 성능과 소비 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

또 다른 과제는 전원 소스 자체에 있습니다. 태양광 구동 장치는 낮에는 번성하지만 밤에는 어려움을 겪으며, RF 하베스팅 기기는 충분히 강한 전자기장이 필요합니다. 광범위한 하베스팅을 지원하기 위해 RF 필드를 확장하는 것은 엄격하게 평가해야 할 중요한 건강 위험 고려사항을 제기합니다.

ON Semiconductor는 네트워크 에지에서 온도, 압력, 습도, 근접을 모니터링하는 최첨단 무선 배터리 프리 센서 제품군인 Smart Passive Sensors™(SPS)를 도입했습니다. 이 센서는 배터리 교체가 비현실적인 원격 또는 광범위한 배포에 이상적입니다.

SPS 센서는 배터리 프리, 마이크로프로세서 프리 RFID 태그로 업계 표준 UHF Gen 2 프로토콜을 사용해 통신합니다. RF 리더에 의해 인터로게이트되면 태그는 신호에서 에너지를 하베스팅하여 전용 전원 없이 빠르고 정확한 판독을 가능하게 합니다.

그림 1: SPS 센서 기능 블록

Rice는 "이 센서 네트워크는 RF 에너지 하베스팅을 사용하도록 설계되었습니다. 중앙 센서 허브가 연결된 안테나를 통해 RF 전력을 전송하고, 개별 센서 노드는 주변 RF 필드를 전기적 전력으로 변환하여 무선 배터리 프리로 작동합니다."라고 설명합니다.

그림 2와 같이 각 센서 허브는 프로토콜별 통신을 처리하고 원시 데이터(EPC, 온도, RSSI, 코드 등)를 노출하는 리더 모듈과 데이터를 집계하고 추가 분석을 위해 포맷하는 처리 모듈을 통합합니다. 허브는 Wi-Fi, 이더넷, 블루투스 등 프로토콜로 센서 데이터를 클라우드로 전달합니다.

그림 2: 센서 허브 블록 다이어그램

전체 아키텍처는 그림 3에 나와 있습니다: 허브가 여러 센서에서 데이터를 수집하고 클라우드를 통해 다른 기기와 통신하여 새로운 IoT 애플리케이션을 가능하게 합니다.

그림 3: 센서 IoT 아키텍처

센싱 블록의 핵심에는 RF Micron의 Magnus-S2© 센서 IC가 있으며, UHF 리더로부터 RF 에너지 하베스팅으로 구동되는 UHF RFID 칩입니다. Magnus-S2는 다양한 환경 조건에서 RF 프론트엔드를 최적화하는 특허받은 자가 튜닝 카멜레온 엔진을 통합합니다. FCC 정의 UHF와 ETSI UHF 대역 모두에서 작동하며 크기 제약 애플리케이션에 쉽게 맞는 컴팩트한 배터리 프리 솔루션을 제공합니다.

SPS 제품군에는 다음이 포함됩니다:

• 금속, 비금속, 세라믹 표면에서 수동 감지용 온도 센서 – 데이터센터 및 산업 환경의 예측 유지보수에 이상적.
• 플라스틱, 목재, 세라믹, 토양, 석고에서 수동 감지용 습도 센서 – 누수 감지 및 품질 관리에 유용.
• 얇은 플라스틱 표면을 통해 유체를 수동 감지하는 유체 레벨 센서.

연결된 기기 수가 지속적으로 증가함에 따라 IoT의 성공은 센서 성능과 역량에 달려 있습니다. 클라우드 분석과 원활하게 통합되는 배터리 프리 무선 센서는 데이터센터, 산업 유지보수, 건설, 전력 분배, 콜드체인 물류, 디지털 농업, 헬스케어 전반에 걸친 더 스마트한 모니터링을 가능하게 합니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 Power Electronics News에 게재되었습니다.