Costruire un mondo connesso sostenibile con la tecnologia di recupero energetico

Internet of Things (IoT) è uno dei progressi tecnologici più importanti di oggi. Tuttavia, molti dispositivi IoT dipendono ancora dalle batterie per alimentarsi, e il consumo di batterie pone sfide significative nella costruzione di un mondo connesso più sostenibile. Sfruttare la tecnologia di raccolta dell'energia per ridurre la dipendenza dalle batterie è diventato un indirizzo chiave nelle applicazioni IoT. Questo articolo introduce l'applicazione della tecnologia di raccolta dell'energia nei dispositivi IoT e le soluzioni correlate sviluppate da Silicon Labs e dai suoi partner.

La sfida delle batterie negli obiettivi di sviluppo sostenibile 

Nel mondo odierno, sempre più attento alla sostenibilità, aziende, consumatori e paesi stanno cercando di affrontare le crescenti esigenze energetiche determinate dall'aumento dell'urbanizzazione. Raggiungere la neutralità carbonica è diventato imperativo, rendendo essenziale adottare soluzioni tecnologiche che minimizzino gli sprechi e offrano vantaggi in termini di efficienza energetica. Le applicazioni IoT sono ora chiamate ad abbracciare questa trasformazione.    Quando pensiamo all'IoT, immaginiamo un mondo connesso senza soluzione di continuità, alimentato da dispositivi intelligenti e innovativi. Ma cosa mantiene questi dispositivi connessi? La risposta semplice è una fonte di energia, tipicamente le batterie tradizionali. Sebbene le batterie svolgano la loro funzione, presentano significativi svantaggi.    Le statistiche rivelano che oltre 15 miliardi di batterie usate finiscono annualmente nelle discariche, rilasciando circa 900.000 tonnellate di rifiuti pericolosi che inquinano il suolo e le falde acquifere. Solo negli Stati Uniti, la famiglia media acquista più di 90 batterie ogni anno, la maggior parte delle quali non dura nemmeno un decennio. Entro il 2025, si stima che saranno operativi 25 miliardi di dispositivi IoT, con una necessità di 6 milioni di sostituzioni di batterie al giorno.    Questi numeri evidenziano tre principali problemi legati alle batterie tradizionali: pratiche di smaltimento scomode e inappropriate, necessità incessante di sostituzioni e difficoltà di scalabilità. Questi limiti non solo compromettono la funzionalità e l'affidabilità dei dispositivi, ma ostacolano anche la transizione delle applicazioni IoT intelligenti verso un futuro privo di batterie e consapevole dell'energia. Per affrontare queste sfide e mitigare le minacce ambientali poste da un mondo sempre più connesso, è emersa una nuova classe di dispositivi connessi: collettivamente noti come Ambient IoT.    Ambient IoT si riferisce a dispositivi IoT alimentati da fonti di energia naturalmente disponibili come campi magnetici ed elettrici, luce, calore, energia cinetica e suono. Questo metodo di estrazione dell'energia operativa dall'energia ambientale elimina la necessità di batterie nei dispositivi IoT.    Con Ambient IoT, i dispositivi intelligenti possono ora fare affidamento su fonti di energia naturali per l'alimentazione e la connettività invece delle batterie convenzionali. Queste fonti (ad esempio, luce, calore, movimento) estendono la durata dei dispositivi riducendo significativamente l'impatto ambientale delle batterie. 

Soluzioni innovative di system-on-chip wireless per il recupero energetico 

Silicon Labs è un leader nell'innovazione e nella connettività IoT, con la missione di permettere agli sviluppatori di creare dispositivi connessi wireless che trasformano le industrie, fanno crescere le economie e migliorano la qualità della vita. Silicon Labs ha ora ottimizzato la sua serie di SoC (System-on-Chip) xG22 per integrare funzionalità di raccolta di energia. La nuova famiglia di SoC xG22E ottimizzata per l'energia soddisfa tutte le esigenze di conservazione energetica dei dispositivi IoT.    Questi potenti MCU dispongono di un Power-on-Reset (PoR) di 8 ms che consuma solo 150 microjoule (µJ) e un tempo di riattivazione EM4 di 1,83 millisecondi con un consumo di energia di soli 16,6 µJ. Inoltre, offrono elevate prestazioni RF, supporto multi-protocollo e operazioni a 2,4 GHz. Supportano anche diverse fonti di alimentazione e dispositivi di gestione dell'energia, consentendo agli utenti di esplorare nuove tecnologie di batterie come i supercondensatori.    Prendiamo come esempio l’EFR32xG22E: offre un avvio a freddo ultra-rapido e a basso consumo, una riattivazione dal sonno profondo a basso consumo e transizioni efficienti tra le modalità energetiche che mitigano i picchi di corrente dannosi e proteggono le celle di accumulo di energia, rendendolo uno dei SoC wireless a lungo raggio più affidabili sul mercato.    Le applicazioni comuni del SoC xG22E includono smart home e elettrodomestici, elettronica da gaming e edifici intelligenti. Ad esempio, nei dispositivi smart home abilitati Zigbee, come porte, rubinetti e interruttori, i generatori a raccolta di energia possono eliminare la dipendenza dalle batterie e i costi di sostituzione. Nell’elettronica da gaming, telecomandi TV alimentati a energia solare indoor e tastiere per computer richiedono SoC Bluetooth LE efficienti dal punto di vista energetico e convenienti. Negli edifici intelligenti, la raccolta di energia cinetica per maniglie di porte e controlli di interruttori senza batteria utilizzando xG22E Zigbee Green Power riduce la necessità di frequenti sostituzioni di batterie. Altre applicazioni chiave includono sensori di monitoraggio della pressione degli pneumatici, tracciamento degli asset, etichette elettroniche per scaffali (ESL), automazione industriale, manutenzione predittiva e agricoltura.   

Soluzioni innovative avanzate per kit di schermatura di raccolta energetica 

Per aiutare i produttori di dispositivi a sviluppare soluzioni complete per il recupero energetico, Silicon Labs ha collaborato con e-peas, un fornitore all'avanguardia di circuiti integrati per la gestione dell'energia (PMICs), per co-sviluppare un kit shield per il recupero energetico all'avanguardia per il nuovo kit ottimizzato per il risparmio energetico xG22E Explorer Kit.    Questo kit include tre shield dedicati che si montano perfettamente sulla scheda dell'Explorer Kit, ottimizzata per isolare le perdite energetiche e facilitare le misurazioni esterne. Il primo shield consente di sperimentare chimiche alternative per batterie e supercondensatori. Il secondo shield è dedicato alle applicazioni di recupero energetico cinetico/pulsato e utilizza l'e-peas AEM00300. Questi shield offrono molteplici punti di test per il debugging e la misurazione del consumo energetico. Il terzo shield incorpora il PMIC più recente e avanzato di e-peas, l'AEM13920, permettendo agli sviluppatori di sperimentare simultaneamente due fonti di recupero energetico.    Il kit include una serie di applicazioni di esempio rivisitate per Bluetooth e Zigbee Green Power, insieme a istruzioni dettagliate per configurare il PMIC e ottimizzare il codice in base a decisioni energetiche.    Ad esempio, l'EFR32xG22E Explorer Kit è una piattaforma di sviluppo ed evaluazione a basso costo e di piccole dimensioni progettata per prototipazione rapida e creazione di concetti per applicazioni IoT Bluetooth LE con EFR32xG22E. Il kit presenta un'interfaccia USB, un debugger SEGGER J-Link integrato, un LED e un pulsante utente, oltre al supporto per schede aggiuntive hardware tramite uno socket mikroBus e un connettore Qwiic. Questo supporto per aggiunte hardware consente agli sviluppatori di creare e prototipare applicazioni utilizzando combinazioni praticamente infinite di schede standard disponibili da MIKROE, SparkFun, Adafruit e Seeed Studios. 

Soluzioni SoC wireless per basso consumo energetico e alta efficienza di trasmissione 

La famiglia di SoC xG22E di Silicon Labs include diverse linee di prodotti, come le serie EFR32BG22E, EFR32FG22E ed EFR32MG22E. Di seguito sono riportate le caratteristiche principali di questi prodotti.    Innanzitutto, l'EFR32BG22 Series 2 Bluetooth® Wireless SoC, che comprende le soluzioni SoC wireless Bluetooth Low Energy (LE) EFR32BG22 ed EFR32BG22E, fa parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2. Questi dispositivi sono progettati con un forte focus sull'efficienza energetica, offrendo una trasmissione e ricezione di potenza ultra-bassa di livello superiore. Il core Arm® Cortex®-M33 ad alte prestazioni e basso consumo energetico garantisce un'efficienza energetica leader del settore, estendendo la durata delle batterie a bottone fino a dieci anni. Mentre il BG22 abilita applicazioni ad alta efficienza energetica, il BG22E (dove "E" sta per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente la durata delle batterie e supporta progetti che eliminano del tutto l’uso di batterie. Le serie BG22 e BG22E di Silicon Labs sono i SoC leader di mercato ideali per dispositivi IoT Ambientali o ad energia raccolta. Tra le applicazioni principali si trovano nodi Bluetooth mesh a basso consumo, serrature intelligenti, dispositivi per la salute personale e il fitness. Anche i tag per il tracciamento degli asset, i beacon e la navigazione indoor beneficiano delle versatili capacità Bluetooth di Angolo di Arrivo (AOA) e Angolo di Partenza (AOD) offerte dai SoC, garantendo un’accuratezza di localizzazione sotto al metro.    L’EFR32FG22 Series 2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC, che include l’EFR32FG22 e l’EFR32FG22E, fa anch’esso parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2. Il SoC FG22 integra un core Arm® Cortex®-M33 a 38,4 MHz con TrustZone e una radio ad alte prestazioni con una sensibilità di ricezione di -102,3 dBm. Mentre l’FG22 consente applicazioni ad alta efficienza energetica, l’FG22E ("E" per Conservazione dell'Energia) prolunga la vita delle batterie e supporta design senza batteria. Questo SoC combina potenza ultra-bassa in trasmissione e ricezione (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,6 mA RX), una modalità di deep-sleep a 1,2 µA e innovative funzionalità a basso consumo come RFSense per offrire un’efficienza energetica leader del settore. Estende la vita operativa di prodotti con limitate opzioni di batteria o di raccolta dell'energia, come etichette elettroniche per scaffali e nodi sensore wireless industriali.    L’EFR32MG22 Series 2 Zigbee SoC, inclusi l’EFR32MG22 e l’EFR32MG22E, rappresenta un’altra parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2. La serie MG22 offre soluzioni SoC Zigbee ottimizzate, integrando un core Arm® Cortex®-M33 ad alte prestazioni e basso consumo energetico a 76,8 MHz con TrustZone. Mentre l’MG22 consente applicazioni ad alta efficienza energetica, l’MG22E ("E" per Conservazione dell'Energia) migliora la longevità delle batterie e supporta design senza batteria. Il SoC MG22 combina potenza ultra-bassa in trasmissione e ricezione (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,9 mA RX), una modalità di deep-sleep a 1,4 µA e periferiche a basso consumo per fornire una soluzione energeticamente efficiente leader del settore per applicazioni basate sul protocollo Zigbee, inclusi Green Power. Le applicazioni IoT includono sensori per smart home, controlli di illuminazione e automazione per edifici e industria. 

Conclusione 

Man mano che ci muoviamo verso un futuro più intelligente e connesso, la tecnologia di energy harvesting sta svolgendo un ruolo fondamentale. Convertendo l’energia ambientale onnipresente - come luce, calore, vibrazione e RF - in elettricità, possiamo ridurre la dipendenza dalle fonti di energia tradizionali, prolungare la durata dei dispositivi, minimizzare i rifiuti delle batterie e raggiungere una vera sostenibilità a basso impatto di carbonio. Con la rapida crescita dei dispositivi IoT, l’energy harvesting diventerà una base critica per il loro funzionamento stabile e a lungo termine. Le soluzioni SoC per energy harvesting introdotte da Silicon Labs saranno componenti indispensabili per costruire un mondo connesso più verde, efficiente e resiliente.