Construire un monde connecté durable grâce à la technologie de récupération d'énergie

Internet of Things (IoT) est l'une des avancées technologiques les plus marquantes aujourd'hui. Cependant, de nombreux dispositifs IoT dépendent encore des batteries pour leur alimentation, et la consommation de batteries pose des défis significatifs à la construction d'un monde connecté plus durable. L'utilisation de la technologie de récupération d'énergie pour réduire la dépendance aux batteries est devenue une direction clé dans les applications IoT. Cet article présente l'application de la technologie de récupération d'énergie dans les dispositifs IoT et les solutions connexes développées par Silicon Labs et ses partenaires.

Le défi des batteries dans les objectifs de développement durable 

Dans le monde actuel, conscient de la durabilité, les entreprises, les consommateurs et les pays s'efforcent de répondre aux demandes croissantes en énergie entraînées par l'urbanisation croissante. Atteindre la neutralité carbone est devenu impératif, rendant essentiel l'adoption de solutions technologiques qui minimisent le gaspillage et offrent des avantages en matière d'efficacité énergétique. Les applications IoT sont maintenant mises au défi d'embrasser cette transformation.    Quand nous pensons à l'IoT, nous envisageons un monde parfaitement connecté alimenté par des dispositifs intelligents et innovants. Mais qu'est-ce qui maintient ces appareils connectés ? La réponse simple est une source d'énergie, généralement des piles traditionnelles. Bien que les piles remplissent leur fonction, elles présentent des inconvénients significatifs.    Les statistiques révèlent que plus de 15 milliards de piles usagées finissent dans des décharges chaque année, libérant environ 900 000 tonnes de déchets dangereux qui polluent les sols et les eaux souterraines. Rien qu'aux États-Unis, le ménage moyen achète plus de 90 piles chaque année, dont la plupart ne durent même pas une décennie. D'ici 2025, on estime que 25 milliards d'appareils IoT seront en fonctionnement, nécessitant 6 millions de remplacements de piles quotidiennement.    Ces chiffres soulignent trois principaux problèmes avec les piles traditionnelles : des pratiques d'élimination incommodes et inappropriées, des besoins incessants de remplacement et des défis de passage à l'échelle. Ces lacunes non seulement altèrent la fonctionnalité et la fiabilité des appareils, mais entravent également la transition des applications IoT intelligentes vers un avenir sans piles et conscient de l'énergie. Pour relever ces défis et atténuer les menaces environnementales posées par un monde de plus en plus connecté, une nouvelle classe d'appareils connectés a émergé - collectivement connue sous le nom d'Ambient IoT.    L'Ambient IoT réfère à des dispositifs IoT alimentés par des sources d'énergie naturellement disponibles telles que les champs magnétiques et électriques, la lumière, la chaleur, l'énergie cinétique et le son. Cette méthode d'extraction de l'énergie opérationnelle à partir de l'énergie ambiante élimine le besoin de piles dans les appareils IoT.    Avec l'Ambient IoT, les appareils intelligents peuvent désormais compter sur des sources d'énergie naturelles pour l'alimentation et la connectivité au lieu de piles traditionnelles. Ces sources (par exemple, la lumière, la chaleur, le mouvement) prolongent la durée de vie des appareils tout en réduisant considérablement l'impact environnemental des piles. 

Solutions innovantes de système sur puce sans fil pour la récupération d'énergie 

Silicon Labs est un leader en innovation et connectivité IoT, avec pour mission de permettre aux développeurs de créer des dispositifs connectés sans fil qui transforment les industries, stimulent les économies et améliorent les vies. Silicon Labs a désormais optimisé sa série xG22 de SoC (System-on-Chip) pour intégrer des capacités de récupération d'énergie. La nouvelle famille de SoC xG22E optimisée pour l'énergie répond à tous les besoins de conservation d'énergie des appareils IoT.    Ces MCU puissants présentent un Power-on-Reset (PoR) de 8 ms qui consomme seulement 150 microjoules (µJ) et un temps de réveil EM4 de 1,83 milliseconde avec seulement 16,6 µJ de consommation énergétique. De plus, ils offrent des performances RF élevées, un support multi-protocole et une opération à 2,4 GHz. Ils prennent également en charge plusieurs sources d'alimentation et dispositifs de gestion de l'énergie, permettant aux utilisateurs d'explorer de nouvelles technologies de batterie comme les supercondensateurs.    Prenons l'exemple de l'EFR32xG22E : il offre un démarrage à froid ultra-rapide et à faible énergie, un réveil à partir d'une veille profonde à faible énergie, et des transitions de mode énergétique efficaces qui atténuent les pics de courant nocifs et protègent les cellules de stockage d'énergie, en faisant l'un des SoC sans fil longue portée les plus fiables du marché.    Les applications courantes du SoC xG22E incluent la maison intelligente et les appareils électroménagers, l'électronique de jeu et les bâtiments intelligents. Par exemple, dans les dispositifs de maison intelligente compatibles Zigbee comme les portes, robinets et interrupteurs, les générateurs à récupération d'énergie peuvent éliminer la dépendance aux piles et les coûts de remplacement. Dans l'électronique de jeu, les télécommandes de TV solaires d'intérieur et les claviers d'ordinateur nécessitent des SoC Bluetooth LE économes en énergie et rentables. Dans les bâtiments intelligents, la récupération de l'impulsion cinétique pour les poignées de porte sans piles et les commandes d'interrupteur utilisant le xG22E Zigbee Green Power réduit le besoin de remplacements fréquents de piles. D'autres applications clés incluent les capteurs de surveillance de pression des pneus, le suivi des actifs, les étiquettes électroniques de gondole (ESL), l'automatisation industrielle, la maintenance prédictive et l'agriculture.   

Solutions innovantes pour kits de protection de récupération d'énergie avancée 

Pour aider les fabricants de dispositifs à construire des solutions complètes de récupération d'énergie, Silicon Labs s'est associé à e-peas, un fournisseur de premier plan de circuits intégrés de gestion de l'énergie (PMIC), pour co-développer un kit de protection de récupération d'énergie de pointe pour le nouveau xG22E Explorer Kit optimisé pour l'énergie. Ce kit comprend trois protections dédiées qui s'adaptent parfaitement à la carte Explorer Kit, qui est optimisée pour isoler les fuites de puissance et faciliter les mesures externes. La première protection permet de tester différentes chimies de batteries alternatives et supercondensateurs. La deuxième protection est dédiée aux applications de récupération cinétique/pulsée et utilise le AEM00300 de e-peas. Ces protections offrent de multiples points de test pour le débogage et la mesure de la consommation d'énergie. La troisième protection intègre le PMIC le plus récent et le plus avancé de e-peas, le AEM13920, permettant aux développeurs d'expérimenter avec des sources de récupération d'énergie doubles simultanément. Le kit comprend une multitude d'applications d'échantillons revisitées pour Bluetooth et Zigbee Green Power, ainsi que des instructions sur la configuration du PMIC et l'optimisation du code pour la prise de décision basée sur l'énergie. Par exemple, le EFR32xG22E Explorer Kit est une plateforme de développement et d'évaluation très économique et de petite taille conçue pour le prototypage rapide et la création de concepts d'applications EFR32xG22E Bluetooth LE IoT. Le kit comprend une interface USB, un débogueur SEGGER J-Link embarqué, une LED utilisateur et un bouton, ainsi qu'une prise en charge des cartes d'extension matérielles via un socket mikroBus et un connecteur Qwiic. Cette prise en charge des extensions matérielles permet aux développeurs de créer et de prototyper des applications en utilisant des combinaisons pratiquement infinies de cartes préfabriquées de MIKROE, SparkFun, Adafruit et Seeed Studios.

Solutions SoC sans fil pour une faible consommation d'énergie et une haute efficacité de transmission 

La famille de SoC xG22E de Silicon Labs comprend plusieurs gammes de produits, telles que les séries EFR32BG22E, EFR32FG22E et EFR32MG22E. Voici les caractéristiques clés de ces produits.    Tout d'abord, le SoC sans fil Bluetooth® EFR32BG22 Series 2, y compris les solutions SoC sans fil Bluetooth Low Energy (LE) EFR32BG22 et EFR32BG22E, fait partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2. Ces appareils sont conçus avec un fort accent sur l'efficacité énergétique, offrant une puissance d'émission et de réception ultra-faible de premier ordre. Le cœur haute performance et basse consommation Arm® Cortex®-M33 offre une efficacité énergétique inégalée dans l'industrie, prolongeant la durée de vie des piles bouton jusqu'à dix ans. Alors que le BG22 permet des applications économes en énergie, le BG22E (où « E » signifie Conservation de l'Énergie) améliore encore plus la longévité des batteries et prend en charge les conceptions qui éliminent totalement les batteries. Les séries BG22 et BG22E de Silicon Labs sont les SoC leaders du marché idéaux pour les dispositifs IoT ambiants ou à récupération d'énergie. Les applications cibles incluent les nœuds basse consommation Bluetooth mesh, les serrures intelligentes, et les dispositifs personnels de santé et de fitness. Les étiquettes de suivi d'actifs, les balises et la navigation intérieure bénéficient également des capacités polyvalentes Bluetooth Angle of Arrival (AOA) et Angle of Departure (AOD) des SoC, offrant une précision de localisation à moins d'un mètre.    Le SoC sans fil propriétaire 2,4 GHz EFR32FG22 Series 2, y compris l'EFR32FG22 et l'EFR32FG22E, fait également partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2. Le SoC FG22 intègre un cœur Arm® Cortex®-M33 de 38,4 MHz avec TrustZone et une radio haute performance avec une sensibilité de réception de -102,3 dBm. Alors que le FG22 permet des applications économes en énergie, le FG22E (« E » pour Conservation de l'Énergie) prolonge la durée de vie des batteries et prend en charge les conceptions sans batterie. Ce SoC combine une puissance de transmission et de réception ultra-faible (8,2 mA TX à +6 dBm, 3,6 mA RX), un mode de sommeil profond de 1,2 µA, et des fonctionnalités innovantes basse consommation comme RFSense pour offrir une efficacité énergétique inégalée dans l'industrie. Il prolonge la durée de vie opérationnelle des produits à batterie limitée ou à options de récupération d'énergie, tels que les étiquettes de rayonnage électronique et les nœuds de capteurs sans fil industriels.    Le SoC Zigbee EFR32MG22 Series 2, y compris l'EFR32MG22 et l'EFR32MG22E, est une autre partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2. La série MG22 offre des solutions de SoC Zigbee optimisées, incorporant un cœur haute performance et basse consommation Arm® Cortex®-M33 de 76,8 MHz avec TrustZone. Alors que le MG22 permet des applications économes en énergie, le MG22E (« E » pour Conservation de l'Énergie) améliore la longévité des batteries et prend en charge les conceptions sans batterie. Le SoC MG22 combine une puissance de transmission et de réception ultra-faible (8,2 mA TX à +6 dBm, 3,9 mA RX), un mode de sommeil profond de 1,4 µA, et des périphériques basse consommation pour offrir une solution industrielle de premier plan et économe en énergie pour les applications du protocole Zigbee, y compris Green Power. Les applications IoT incluent les capteurs de maison intelligente, les contrôles d'éclairage, et l'automatisation des bâtiments et de l'industrie. 

Conclusion 

À mesure que nous nous dirigeons vers un avenir plus intelligent et connecté, la technologie de récupération d'énergie joue un rôle crucial. En convertissant l'énergie ambiante omniprésente - comme la lumière, la chaleur, les vibrations et RF - en électricité, nous pouvons réduire la dépendance aux sources d'énergie traditionnelles, prolonger la durée de vie des appareils, minimiser le gaspillage de batteries et atteindre une véritable durabilité à faible émission de carbone. Avec la croissance rapide des dispositifs IoT, la récupération d'énergie deviendra une base essentielle pour leur fonctionnement stable et à long terme. Les solutions SoC de récupération d'énergie introduites par Silicon Labs serviront de composants indispensables pour construire un monde connecté plus vert, plus efficace et plus résilient.