El mundo de la tecnología inalámbrica para alimentar a dispositivos electrónicos sin baterías

La energía se puede encontrar en todas partes: en el movimiento de puertas y ventanas o componentes de máquinas, la vibración de motores, cambios de temperatura o variaciones en el nivel de luminancia. Estas fuentes de energía, que generalmente no se utilizan, se pueden aprovechar mediante la recolección de energía para alimentar dispositivos electrónicos y transmitir señales inalámbricas. Este principio es la base de la tecnología inalámbrica de recolección de energía de EnOcean.

¿Qué significa dispositivos «sin baterías»?

La energía está al alcance en todas partes, solo necesita ser cosechada: este es el principio de la recolección de energía. EnOcean utiliza este principio para sus módulos inalámbricos, que obtienen su energía del entorno. Los pequeños convertidores de energía activan los sensores e switches, lo que les permite funcionar sin baterías ni cables y, por lo tanto, no requieren mantenimiento. Reemplazar las baterías significa gastos, tanto desde una perspectiva de hardware como de mantenimiento. La tecnología autoalimentada de EnOcean implica que no es necesario reemplazar nunca las baterías.

¿Qué fuentes de energía cuentan?

La tecnología de EnOcean utiliza tres fuentes principales de energía: movimiento, luz y diferencias de temperatura. En el proceso, un convertidor de energía electrodinámico utiliza movimiento cinético, o un módulo solar miniaturizado genera energía a partir de la luz disponible en una habitación. La combinación de un elemento Peltier con un convertidor CC / CC aprovecha el calor como fuente de energía. Estas pequeñas cantidades de energía cosechada son suficientes para transmitir y recibir señales inalámbricas y permiten el funcionamiento de numerosas soluciones de sensores sin mantenimiento. Esto incluye interruptores sin batería, manijas de ventanas inteligentes, sensores de temperatura, humedad y luz con energía solar, así como sensores de ocupación autoalimentados o incluso actuadores relé.

Energía del movimiento

El convertidor de energía mecánica ECO 200 convierte la energía mecánica, la presión de un interruptor, por ejemplo, en energía eléctrica. Funciona de manera similar a un dinamo y hace que la energía esté disponible de inmediato. Con una salida de energía de 120 μWs y un módulo inalámbrico sin batería, es posible transmitir tres telegramas de radio por operación. El ECO 200 permite una finalización típica de más de 300,000 ciclos de conmutación; En condiciones ideales, son posibles más de un millón de ciclos de conmutación.

Energía de la luz

Los módulos solares miniaturizados, no mayores de 13 mm x 35 mm, pueden usar luz interior para suministrar electricidad para módulos de radio inalámbricos de ultrabaja potencia. Si un valor medido se transmite cada 15 minutos, por ejemplo, 3.6 horas de carga durante el día y 200 Lux son adecuadas para una operación ininterrumpida.

Energía por diferencias de temperatura

Los termogeneradores, obtienen la energía por medio de los llamados elementos Peltier. El convertidor ECT 310 DC / DC ya comienza a resonar a más de 10 mV de voltaje de entrada. En 20 mV (diferencia de temperatura de aproximadamente 2 K), se genera un voltaje de salida útil de más de 3 V. A una diferencia de temperatura de solo 7 K, ya se producen aproximadamente 100 μW de energía.

¿Qué es la plataforma EnOcean?

No es solo la recolección de energía lo que hace que la tecnología inalámbrica funcione. EnOcean ofrece a sus clientes OEM un completo sistema plug & play de convertidores de energía, administración de energía, módulos inalámbricos, software y herramientas de desarrollo, así como un protocolo de radio muy confiable y de ahorro de energía. Todos los componentes de la plataforma están perfectamente adaptados entre sí. Dependiendo de los requisitos de energía, este paquete completo permite varias aplicaciones inalámbricas, que funcionan sin cables ni baterías. Al establecer esta plataforma integral, EnOcean ha logrado mantener las barreras de integración extremadamente bajas. Esto permite procesos de integración fáciles, sin la necesidad de un conocimiento profundo de la tecnología sin batería.

¿Qué protocolos de radio puede alimentar EnOcean?

Basado en su conocimiento y enfoque de plataforma integral de componentes óptimamente combinados, EnOcean puede permitir que cualquier radio de ultra baja potencia sea operada mediante la recolección de energía. Actualmente, la tecnología EnOcean alimenta el estándar internacional ISO / IEC 14543-3-1X (también conocido como estándar EnOcean), que está optimizado para aplicaciones inalámbricas de energía ultra baja y de recolección de energía. EnOcean estuvo muy involucrado en el proceso de ratificación de la norma en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). El estándar se puede descargar en www.iso.org.

Mientras tanto, las asociaciones y los reproductores inalámbricos han comenzado a especificar sub-protocolos de potencia ultra baja de otros estándares inalámbricos existentes, p. para la banda ISM de 2,4 GHz (IEEE 802.15.4). Estas especificaciones están inspiradas en las características del estándar EnOcean para permitir la realización de aplicaciones de potencia ultrabaja en sus campos particulares establecidos. Debido a este desarrollo, la tecnología inalámbrica de recolección de energía de EnOcean también puede alimentar la comunicación por radio en el estándar abierto mundial IEEE 802.15.4.

¿Están estos estándares optimizados para aplicaciones específicas?

EnOcean recomienda el estándar ISO / IEC 14543-3-1X para una automatización de edificios integrada confiable y sostenible para un control inteligente de áreas de edificios interconectados que requieren alta disponibilidad del sistema. Por lo tanto, el protocolo de radio EnOcean está específicamente diseñado para admitir dispositivos de energía ultrabaja y aplicaciones de recolección de energía en edificios y domótica. Para una eficacia de RF óptima, el protocolo de radio utiliza bandas de frecuencia inferiores a 1 GHz. La fiabilidad de RF está asegurada porque las señales inalámbricas tienen una duración inferior a un milisegundo y se transmiten a una velocidad de datos de 125 kilobits por segundo. Aunque la potencia transmitida es de hasta 10 mW, la transmisión inalámbrica utilizada aquí solo tiene un requisito de energía de 50 μW para un solo telegrama. Eso es casi lo mismo que la potencia necesaria para levantar un peso de 1 gramo por 5 milímetros. El telegrama corto se repite aleatoriamente dos veces en el espacio de aproximadamente 40 milisegundos para evitar errores de transmisión.

Las aplicaciones de recolección de energía que utilizan el estándar IEEE 802.15.4 satisfacen demandas más específicas del mercado, como ser para el control de iluminación LED para el consumidor u otras soluciones de control en áreas donde la disponibilidad del canal y el grado de servicio no es la solicitud principal del cliente.

¿Cuál es el rango de señales inalámbricas alimentadas por la recolección de energía?

Los dispositivos, que operan en la banda de frecuencia ISM sub 1 GHz, ofrecen robustez de transmisión a través de paredes, interferencias mínimas y una comunicación de hasta 100 pies (30 metros) en edificios y 1000 pies (300 metros) en el campo libre. Se puede encontrar información detallada sobre la planificación del rango en la banda sub 1 GHz en la Guía de planificación del rango de EnOcean. Estas características de rango hacen que el estándar EnOcean sea muy adecuado para el control integrado de edificios.

Al mismo tiempo, el uso de bandas sub 1 GHz minimiza el smog eléctrico, porque los campos electromagnéticos emitidos por los switches de radio son extremadamente bajos. Además, los sensores sin batería están en modo de reposo la mayor parte del tiempo y solo transmiten telegramas inalámbricos (actualizaciones de estado, valores medidos, comandos de control) cuando se activan o en un ciclo de tiempo predefinido y en muy poco tiempo. Se pueden encontrar más detalles sobre las emisiones de radio del estándar EnOcean en el informe del instituto independiente ECOLOG.

Los ciclos de activación cortos también se aplican a las aplicaciones de recolección de energía de 2.4 GHZ para que las señales inalámbricas se envíen solo cuando sea necesario. Esto también reduce el smog eléctrico en esta banda superior. Por lo general, el rango a 2,4 GHz es de aproximadamente 30 pies (10 metros) en un edificio y 300 pies (100 metros) en el campo libre. Por lo tanto, es más adecuado para soluciones de una sola habitación, donde no se requiere una alta penetración a través de las paredes.

¿Puedo usar EnOcean en todo el mundo?

Sí, el estándar EnOcean ISO / IEC utiliza diferentes bandas de frecuencia sin licencia en el rango inferior a 1 GHz para cumplir con las especificaciones y regulaciones legales de países de todo el mundo. Las soluciones EnOcean están disponibles en las siguientes frecuencias, lo que las hace adecuadas para un uso mundial: 868 MHz para Europa y China, 315 MHz para Asia, 902 MHz para Norteamérica y Canadá y 928 MHz para Japón. Además, existen soluciones sin batería que utilizan la banda de frecuencia de 2,4 GHz abierta en todo el mundo.

¿Qué pasa con la integridad y seguridad de los datos?

Los módulos EnOcean transmiten paquetes de datos a intervalos aleatorios para garantizar que la probabilidad de colisión e interferencia sea extremadamente pequeña. Como resultado, una gama de switches y sensores que utilizan la banda de frecuencia sub 1 GHz se pueden operar muy cerca unos de otros. Además de esto, cada módulo estándar EnOcean viene con un número de identificación (ID) único de 32 bits, que no se puede cambiar ni copiar y, por lo tanto, protege contra la duplicación.

Este método de autenticación ofrece una comunicación segura y confiable comprobada en campo en la automatización de edificios. Para aplicaciones que solicitan seguridad de datos adicional. En los sistemas domésticos inteligentes, EnOcean protege la comunicación inalámbrica sin batería en menos de 1 GHz con medidas de seguridad mejoradas para evitar la repetición de ataques o escuchas y falsificación de mensajes. Estas características incluyen un código variable máximo (RC) de 24 bits incrementado con cada telegrama y cifrado de última generación utilizando el algoritmo AES con una clave de 128 bits.

¿Cuáles son los principales mercados para aplicaciones sin batería?

Automatización de edificios y hogares inteligentes

Las aplicaciones inalámbricas de recolección de energía están muy bien establecidas en la automatización de edificios y el sector de hogares inteligentes. Los sensores e switches autoalimentados unen los «últimos meytros» en un sistema de comunicación, entregando los datos necesarios desde muchos puntos diferentes para sistemas de aire acondicionado inteligente, iluminación o control para reducir el consumo de energía y aumentar la comodidad y la seguridad. Las soluciones van desde contactos de ventana y sensores de temperatura, brillo y humedad hasta detectores de presencia, dispositivos de medición de CO2 e incluse válvulas de radiadores de calefacción de energía térmica o sistemas completos de hogares inteligentes.

En la actualidad, los miembros de EnOcean Alliance ofrecen más de 1,500 productos para la automatización de viviendas y edificios basados ​​en el estándar EnOcean. El buscador de soluciones EnOcean Alliance lo ayuda a encontrar la solución de construcción inalámbrica ideal. Además, estos dispositivos se pueden conectar fácilmente a otros protocolos como WiFi, Ethernet / IP, KNX, BACnet, LON o DALI a través de puertas de enlace, lo que permite un sistema integrado que interconecta todas las áreas del edificio para un control inteligente altamente optimizado.

¿Cuál es el futuro de la tecnología inalámbrica de recolección de energía?

La recolección inalámbrica de energía está comenzando a desarrollar su potencial. La rápida mejora de los componentes y la configuración del diseño del sistema abrirán nuevas aplicaciones en todos los aspectos de la vida. En los conceptos de ciudad inteligente, por ejemplo, los sensores autoalimentados podrían proporcionar información para el espacio de estacionamiento flexible y la gestión de datos de tráfico, así como los datos para el alumbrado público impulsado por la demanda.

A medida que avanza la tecnología inalámbrica de recolección de energía, están surgiendo posibilidades de usar módulos inalámbricos autoalimentados y sin mantenimiento para numerosas aplicaciones donde los sistemas con cable o con batería serían demasiado elaborados en su tecnología y de ninguna manera serían rentables. Alimentar a los sensores es inevitable para recopilar datos y digitalizar nuestro mundo independientemente de la ubicación y la hora.


Fuentes:


Esta nota fue publicada gracias a la autorización de EnOcean Alliance.

 

Gustavo Reimondo
Acerca de Gustavo Reimondo 55 Artículos
Gerente de Tecnología Humanizada. Coordinador del proyecto Realidad Empoderada. Un proyecto de realidad virtual para la concientización en una praxis solidaria. Miembro del grupo: "La familia de la calle", organización conformada por personas indigentes y no indigentes en una relación igualitaria. Coordinador de proyectos de Infraestructura Física de Telecomunicaciones. Experto en Robótica, Instrumentación & Control, IoT, Sensórica y sistemas microcontrolados.

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