Eine batterielose Zukunft für IoT-Geräte
IoT-Geräte werden zunehmend zur Überwachung und Verfolgung von Daten eingesetzt. Ihre Abhängigkeit von Batterien birgt jedoch erhebliche Herausforderungen, darunter hohe Wartungskosten, eine schlechte Nutzungserfahrung aufgrund häufiger Batteriewechsel und Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Batterieherstellung und -entsorgung. Das Hauptziel des EU-finanzierten Projekts EPEAS war es, das Batterieproblem von IoT-Geräten zu lösen, indem diese für einen energieautarken Betrieb unter Gewinnung von Strom aus ihrer Umgebung befähigt werden. IoT-Geräte basieren auf vier Hauptkomponenten: einem Sensor zur Datenerfassung, einem Mikrocontroller zur Datenverarbeitung, einer Kommunikationsschnittstelle zum Senden der Daten an die Cloud und einer Stromüberwachungseinheit. „Bei e-peas(öffnet in neuem Fenster) bieten wir bereits Stromüberwachungseinheiten an, die in Verbindung mit winzigen Energy Harvestern eine effiziente Energieversorgung ermöglichen. Wenn wir diese Technologie mit einem stromsparenden Mikrocontroller und einem Bildsensor kombinieren, können wir energieautarke Geräte schaffen, die keinen Batteriewechsel mehr benötigen“, erklärt Projektkoordinator Julien De Vos.
Die wesentlichen Bausteine der IoT-Technologie
Die EPEAS-Lösung kombiniert fortschrittliche Schaltkreise in einer energieautarken Edge-Computing-Plattform mit einer Stromüberwachungseinheit für Energy Harvesting(öffnet in neuem Fenster), einem ultra-stromsparenden Mikrocontroller und einem CMOS-Bildsensor. Das System ermöglicht eine intelligente Stromgewinnung, -speicherung und -verteilung aus seiner Umgebung – die Stromüberwachungseinheit regelt den Stromfluss, während der Mikrocontroller den Gerätebetrieb auf Basis des verfügbaren Stroms optimiert. Hardware-Beschleuniger wie der automatische Ruhezustand für die Mikrocontroller-Einheit (MCU) und die Bewegungserkennung für den Bildsensor sorgen auch bei geringem Strombedarf für eine zuverlässige Leistung. Dadurch kann das Gerät Daten erfassen, verarbeiten und übermitteln, ohne auf austauschbare Batterien angewiesen zu sein.
Komplettsystem setzt neue Maßstäbe für Energieeffizienz
„Unsere Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass unsere Schaltungen für eine nahtlose Zusammenarbeit ausgelegt sind. Unser Mikrocontroller erzielt daher nicht nur einen bislang unerreicht niedrigen Stromverbrauch mit dem höchsten ULPBench-Wert [standardisierter Referenzwert zur Messung der MCU-Energieeffizienz] für einen Cortex-M0-Mikrocontroller, sondern kommuniziert auch direkt mit unserer Stromüberwachungseinheit, um den Energiestatus des Systems zu überwachen. Auf diese Weise können die Nutzerinnen und Nutzer das Verhalten der Anwendung auf Basis von Faktoren wie dem Batterieladezustand anpassen“, erklärt De Vos. Im Gegensatz dazu basieren konkurrierende Lösungen häufig auf separaten Modulen verschiedener Lieferanten, was die Optimierung einschränkt. Darüber hinaus zeichnet sich der Bildsensor von EPEAS durch den geringsten Stromverbrauch aus und verfügt über eine patentierte On-Chip-Bildvorverarbeitung, um den Energieverbrauch während der Datenübertragung zu minimieren und die Gesamteffizienz weiter zu steigern.
Skalierbare Technologie für unterschiedliche Strom- und Geräteanforderungen
„Unser System ist vollständig skalierbar und kann an Geräte mit unterschiedlichem Strombedarf angepasst werden“, erklärt De Vos. Die Schnittstelle zwischen der Stromüberwachungseinheit und dem Mikrocontroller ermöglicht es dem System, die Stromgewinnung entsprechend der erzeugten Strommenge zu optimieren oder zusätzliche Funktionen zu integrieren. „Unser Know-how kann auch auf fortschrittlichere Mikrocontroller-Architekturen oder Bildsensoren mit höherer Auflösung erweitert werden. Diese Flexibilität stellt sicher, dass die Technologie umfassende Unterstützung bieten kann, die von einfachen Sensoren mit geringem Stromverbrauch bis hin zu anspruchsvolleren Edge-Geräten mit Bildverarbeitungsfunktionen oder künstlicher Intelligenz reicht“, merkt De Vos an.
Energieautarke Technologie für die Stromversorgung verschiedenartiger Anwendungen und Märkte
Die EPEAS-Technologie eignet sich perfekt für Branchen, in denen der Batteriewechsel hohe Kosten oder logistische Herausforderungen mit sich bringt. Sie taugt besonders für Anwendungen im Bereich intelligenter Gebäude und Einzelhandel, darunter etwa digitale Regalkennzeichnungen und Anwesenheitssensoren, industrielle IoT-Anwendungen wie vorausschauende Wartungsmaßnahmen und Umgebungsüberwachungssysteme. Die Technologie ist zudem mit den Bereichen Unterhaltungselektronik, Wearables und Smart-City-Infrastruktur kompatibel. Durch die Ermöglichung von Energieautarkie wird ein langfristiger, wartungsfreier Betrieb sichergestellt und das Wachstum eines nachhaltigen und skalierbaren IoT unterstützt. Die Technologie wurde auf wichtigen internationalen Fachmessen wie der CES, der Embedded World und der Electronica sowie in Whitepapers vorgestellt. Auf Grundlage des Feedbacks der Kundschaft und Partnerorganisationen wurde die Vermarktungsstrategie verfeinert und die Produkteinführung vorbereitet.
