Šetřit energií v IoT zařízeních bez změny uživatelského chování? Výzkumníci FIT VUT v Brně z projektu LoLiPoP-IoT ví, jak na to

S nástupem technologií IoT (Internet of Things) se mění způsob, jakým pracujeme a žijeme. Miliardy zařízení jsou připojeny k internetu a neustále mezi sebou komunikují. Přináší to mnoho výhod. Bezdrátová zařízení mají ale vysokou spotřebu energie a s tím spojenou častou výměnu baterií. Předpokládá se, že do roku 2025 skončí na skládkách 70 milionů baterií denně jen z aplikací IoT. Problémem je také těžba materiálů pro výrobu baterií. Projekt LoLiPoP-IoT (Long Life Power Platforms for Internet of Things), ve kterém je zapojena i FIT VUT v Brně, řeší právě tuto výzvu a vyvíjí inovativní řešení, která prodlouží výdrž baterií IoT zařízení.

Jedním z hlavních cílů projektu je snížit celkové náklady na provoz a údržbu (nejen) průmyslových bezdrátových senzorů a jejich dopad na životní prostředí. Dosáhnout toho chce prodloužením délky výdrže IoT senzorů na jedno nabití nebo co největšího oddálení výměny baterií. "Víme, že náklady na manipulaci s bateriemi a jejich výměnu během životnosti průmyslového senzoru často překračují 2000 na jeden uzel. Naopak, ekvivalentní náklady u samo-napájených bezdrátových senzorů se pohybují mezi 200-700 , což představuje návratnost investice již při první výměně baterie. Výdrž baterií u bezdrátových senzorů je obvykle 12-18 měsíců a to není dostatečné," vysvětluje vedoucí výzkumného týmu LoLiPoP-IoT Pavel Smrž z FIT VUT.

Na setkání výzkumného týmu v červnu letošního roku v irském městě Cork prezentovali výzkumníci z FIT VUT částečné výsledky simulace malých solárních panelů, algoritmů pro určování pozice a algoritmů pro predictive maintenance a condition monitoring.

Energy harvesting technologie mají pozitivní vliv na životní prostředí i pohodlí uživatele

Projekt klade důraz na efektivitu, která je zároveň ekologická. Prostřednictvím nových technologií chce omezovat spotřebu energie při zachování přesnosti měření a funkcí IoT zařízení. "Klíčovou součástí našeho přístupu je využívání inovativních technologií tzv. energy harvesting, které umožňují získávat energii z prostředí, například ze solární energie, radiových vln, vibrací nebo z prostředí s výraznými rozdíly teplot. Energy harvesting umožňuje získat zadarmo z okolního prostředí velmi malé množství energie. Pokud ale IoT zařízení navrhneme velmi pečlivě tak, aby mělo nízkou spotřebu, dostáváme se blíže k měřítku technologie harvestingu, a životnost běhu na jedno nabití se tak výrazně prodlužuje. Svatým grálem je potom naprostá autonomie - bez nutnosti dobíjení, bez nutnosti výměny baterií," doplňuje Jakub Lojda, výzkumník v projektu LoLiPoP-IoT. Uživatelé nebudou muset tak často řešit nabíjení nebo výměnu zařízená svých koncových IoT zařízení a naše planeta bude mít o problém méně. Mnoho z IoT zařízení totiž využívá tzv. primární baterie, tedy takové, které sice uchovávají dostatečné množství energie například na rok provozu, ale není možné je nabít.

Kroky na cestě k revoluci v IoT

FIT VUT přispívá k naplnění cílů projektu hned v několika stěžejních oblastech. Za pomoci vytváření simulačních modelů dokáže odhadnout energetické nároky IoT zařízení ještě před jejich výrobou. Odhad spotřeby je následně klíčový pro předběžné dimenzování výkonu energetického harvesteru pro požadovanou dobu výdrže IoT zařízení. Tým z FIT se podílí i na vývoji chytrých algoritmů, které sníží spotřebu energie u UWB (Ultra-Wide Band) pozicovacích systémů, aby zařízení mohlo pracovat co nejdéle. Technologie UWB je veřejnosti známá např. z populárních "AirTagů" od společnosti Apple. Konkrétně za FIT VUT se ale zabýváme vývojem algoritmů pro IoT zařízení, která slouží především k trasování objektů ve vnitřních prostorách průmyslových budov. 

Schéma simulace provozu

"Zjednodušeně lze říci, že mobilní UWB tagy hlásí svoji polohu přijímačům instalovaným v budově, kdy na tuto komunikaci připadá největší podíl v celkové spotřebě energie. Snížit spotřebu lze tím, že se použijí vhodné součástky. Nicméně pro lepší výsledky je potřeba se zaměřit i na chytřejší návrh samotných algoritmů, které IoT síť používá. Např. při delším skladování sledovaného zboží není nutné polohu opětovně sdělovat, čímž lze opět ušetřit trochu energie," říkáčlen výzkumného týmu, Václav Šimek. Tým dále pracuje na srovnání dostupných AI technologií, které lze provozovat přímo na IoT zařízeních. Ta se díky tomu nebudou zbytečně energeticky vyčerpávat neustálým odesíláním dat do cloudu. "Současná zařízení posílají svá data na zpracování do cloudu. Komunikace v bezdrátových sítích je ale poměrně náročná na spotřebu, pokud samozřejmě uvažujeme v měřítku současných energy harvesting technologií. Proto je potřeba hledat situace, kdy je možné data částečně zpracovat už na koncovém zařízení a zmenšit tak objem přenášených dat. To celé samozřejmě jen v případech, kdy to vede k úspoře energie v baterii, což může být pro stejné koncové zařízení v odlišných situacích různé. Proto je to navíc potřeba rozhodovat za běhu aplikace," dodává Josef Strnadel, výzkumník týmu LoLiPoP-IoT. Nově vyvinuté systémy budou umět autonomně dynamicky plánovat spotřebu energie a optimalizovat komfort uživatelů díky inteligentnímu plánování komunikace.

Plánované inovace přinesou nejen úsporu nákladů a zvýšení pohodlí uživatelů, ale také významně přispějí k ochraně životního prostředí. Otevírají tak zcela novou dimenzi využívání IoT zařízení.