La búsqueda de dispositivos IoT más ecológicos ha llevado al proyecto europeo EnABLES a investigar nuevas formas de fabricar dispositivos inteligentes inalámbricos y sensores miniaturizados y autónomos capaces de autoalimentarse. Para ello, los investigadores se han basado en el desarrollo y la integración de recolección de energía y almacenamiento de energía, al tiempo que han tenido en cuenta los requisitos de gestión de microenergía (MPM) para el funcionamiento del sistema miniaturizado.
Liderado por la University College Cork (Irlanda), el proyecto EnABLES se ha desarrollado desde enero de 2018 hasta junio de 2022. El consorcio del proyecto ha estado compuesto por seis centros de investigación y tecnología, y cinco centros de conocimiento de excelencia, procedentes de Francia, Alemania, Países Bajos, Reino Unido e Italia. Para poder llevar a cabo los nuevos sistemas, EnABLES ha contado con una financiación de 5,2 millones de euros del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea.
La visión del consorcio del proyecto EnABLES se basa en la combinación de recolección y almacenamiento de energía, con una gestión de microenergía integrada en un mismo sistema IoT, con el fin de ofrecer un sistema de energía para múltiples aplicaciones, que abarcan desde la industria hasta el usuario final.
Papel del Joint Research Activities
Los objetivos que ha perseguido el proyecto es crear un ecosistema de energía IoT, a través de una vía de colaboración entre entidades, así como interoperabilidad y estandarización de las tecnologías. Asimismo, se ha buscado un acceso transaccional, en el que hubiera un libre intercambio de laboratorios, herramientas y experiencias para hacer, al tiempo que se ha creado un Joint Research Activities (JRAs), para elaborar un sistema optimizado, soluciones de aplicaciones orientadas y metodologías estandarizadas.
Los JRAs han conseguido generar unas sinergias disruptivas entre los socios a través de la combinación de sus experiencias y tecnologías, lo que ha dado como resultado la creación de varias soluciones capaces de cubrir las necesidades y aplicaciones del ecosistema IoT.
Algunos ejemplos de las nuevas soluciones son el desarrollo de una película delgada compatible con los chips CMOS de inductores planos para operaciones de voltaje más bajo (arranque en frío) en circuitos integrados de gestión de energía (PMIC), y los circuitos auxiliares creados con Fraunhofer y UNIBO. Estas tecnologías permitirán eliminar los transformadores voluminosos y reducir significativamente el tamaño de las piezas también a medida que aumentan los niveles de extracción de fuentes de energía ambiental.
Asimismo, EnABLES ha utilizado nanomateriales y polímeros para crear soluciones de almacenamiento de energía de alta densidad para su implementación en aplicaciones flexibles y/o portátiles.
Aplicaciones para los edificios inteligentes
Dentro de las múltiples aplicaciones en las que se puede utilizar la tecnología EnABLES, destacan las aplicaciones de recolector de energía por radiofrecuencia (RF) en los edificios inteligentes. El objetivo es reducir el número de baterías de los sensores que pueden integrarse en las viviendas o edificios inteligentes, como sensores de puertas, ventanas, temperatura, etc., y crear un nuevo sistema que permita recolectar energía procedente del ambiente.
Las características principales que deben tener los módulos de energía de los sensores con RF son una amplia área de señal con un nivel alto de potencia, aumentar la atenuación y la inducción con las frecuencias, mientras que el tamaño de la antena será variable en función de la potencia de la frecuencia. Respecto al campo de fuerza electromagnético de los módulos, éste disminuirá en función de la distancia, y los módulos con antenas de alto ancho de banda tendrán la capacidad de utilizar la energía de múltiples transmisores.
Entre los transmisores, las bandas de frecuencia disponibles para utilizar este sistema son la banda de 50/60 Hz, transmisión de audio LW, MW, SW, USW, DAB; señal de televisión terrestre y satélite, señal móvil desde GSM hasta 5G; GPS, WLAN y RFID, entre otras señales.
Los investigadores llevaron a cabo varias pruebas para comprobar la efectividad de los diferentes transmisores. Una de estas pruebas era con las señales WLAN producidas por un router. Los investigadores identificaron que la distancia entre el transmisor y el recolector de energía disminuye sustancialmente la cantidad de energía que se puede capturar. En concreto esta distancia es a partir de 8 metros, por lo que esta tecnología en diferentes aplicaciones podría no resultar muy útil.
Otro de los métodos de transmisión probados es un transmisor de energía con un sistema RFID (UHF). Este sistema ofrece una buena conexión. Una de sus ventajas es que no ofrece solo energía continua, sino que se puede utilizar para cada uno de los recolectores de energía, proporcionando energía donde se requiera, como un sensor para la ventana. En este caso, la distancia óptima es de hasta 3 metros.
Sensor de ventanas
Los sensores para las ventanas de las viviendas y edificios inteligentes son un claro ejemplo de la funcionalidad de la combinación de la tecnología RF con el recolector de energía, para poder transmitir la información del sensor utilizando energía producida por el mismo dispositivo integrado en la ventana.
Para conseguir la suficiente energía que permita funcionar al sensor, se han utilizado dos elementos. Por un lado, un recolector de energía ubicado en el marco de la ventana a través de un imán permanente, que recoge la energía producida por el movimiento de la manilla. Por otro lado, la ventana integra una célula solar que capta la luz ambiente.
Ambos sistemas producen la energía necesaria para el funcionamiento de los sensores de aceleración 3D y de campo magnético 3D, así como para el procesamiento de la señal a través del chip RFID, encargado de transmitir por la antena toda la información capturada por el sensor. De manera opcional, se puede incorporar una malla bluetooth para ampliar las posibilidades del sistema.
El sensor implementado en la ventana del piloto ha reconocido tanto el ángulo vertical como horizontal de la apertura de la ventana. Como resultado, los investigadores del proyecto EnABLES han conseguido que el sensor sea capaz de detectar golpes, apalancamiento, golpes con balones, rotura de cristales y perforaciones, en los diferentes modos de apertura de la ventana: cerrada, inclinada y apertura total, y comunicar esta información al sistema de automatización de la vivienda.