06/04/2021
Door Ad Spijkers
Steeds meer apparaten worden met elkaar verbonden in netwerken. Maar het Internet of Things verbruikt hierdoor wel steeds meer elektriciteit.
In zowel huishoudens als fabrieken zijn sensoren voor bewaking en besturing aan een opmars bezig. Sensoren melden wanneer een raam plotseling opengaat of registreren dat een machine stationair draait en energie verspilt. Met behulp van een microcontroller analyseren de kleine apparaten de situatie en verzenden ze signalen en ontvangen ze instructies via een radio-eenheid.
Grote energievraag
Maar de vele sensorknooppunten verbruiken zelf grote hoeveelheden energie. Om energetisch zuinige sensorknooppunten te ontwikkelen, hebben acht Fraunhofer-Instituten hun krachten gebundeld in het Zepowel-project. In de loop van dit jaar worden twee oplossingen gepresenteerd die de uitdaging vanuit twee verschillende invalshoeken aanpakken.
Enerzijds is dat een zelfvoorzienend sensorknooppunt dat zichzelf voorziet van energie en milieudata verzamelt, bijvoorbeeld over luchtkwaliteit. Een sensorknooppunt registreert de bedrijfsstatus van machines, motoren of pompen om hun energiebehoefte drastisch te verminderen.
De hardware die in het project is ontwikkeld, kan modulair worden opgebouwd uit verschillende componenten en daardoor worden aangepast aan verschillende doeleinden. Binnen Fraunhofer droegen sommige instituten hun kennis over de constructie van efficiënte chips en besturingselektronica bij, andere over de constructie van kleine en efficiënte batterijen en energieomzetters. Andere hebben bijgedragen met hun expertise op het gebied van beveiligde radioprotocollen.
Sensor voor intelligente stad
Het energetisch onafhankelijke sensorknooppunt Smart City Node valt in een energiebesparende diepe slaapstand wanneer het niet nodig is. In deze toestand verbruikt het slechts enkele nW (nanowatt). Het knooppunt start pas als hij radiografisch wordt geactiveerd, bijvoorbeeld om fijnstof te meten en de meetwaarden radiografisch te verzenden. Het wordt de komende maanden op auto's en bussen toegepast.
De SmartCity Node maakt gebruik van een energieomvormer om elektriciteit op te wekken uit de trillingen tijdens het rijden. De knooppunten zijn klein, onderhoudsvrij en goedkoop en kunnen op veel plaatsen worden gebruikt. Hierdoor ontstaat een fijnmazig meetnetwerk. In de toekomst zouden dergelijke sensoren in de landbouw kunnen worden gebruikt om het bodemvocht en het gehalte aan nutriënten heel precies te meten. Hierdoor kunnen boeren nauwkeuriger irrigeren en bemesten (precisielandbouw).
Energie besparen
Het tweede type sensorknooppunt zal worden gebruikt in machines met roterende motoren, in eerste instantie in werktuigmachines die worden geleverd door een industriële partner. Nog altijd worden veel machines met de hand in- en uitgeschakeld. Zodra een opdracht is uitgevoerd, blijven ze draaien totdat de bedieningsman op de uitknop drukt.
Behalve meettechniek bevat het nieuwe sensorknooppunt vermogenselektronica om 15 kW aan te sturen bij schakelspanningen tot 850 V. Het is gekoppeld aan de machine en kan de machine naar wens aansturen naar de vereiste snelheid. Nog veel machines in de industrie worden niet op snelheid geregeld, maar het zou duur zijn om ze te vervangen door nieuwe machines. Daarom is het zinvol om ze in plaats daarvan uit te rusten met het intelligente sensorknooppunt.
Foto: Fraunhofer IZM/Volker Mai