Alimentação de dispositivos IoT na indústria

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Quando se fala em projetos que envolvem IoT, considera-se o que será monitorado ou controlado, quais dados serão modelados para a aplicação e quais serão os protocolos de comunicação utilizados. Por dispositivo IoT, entende-se um aparelho ou sistema eletrônico responsável pela leitura de sensores e controle de um processo — em uma fábrica, por exemplo —, sob supervisão de um outro sistema com o qual ele mantém comunicação direta.

Um ponto pouco discutido, mas que se mostra um fator determinante em um projeto, é a alimentação dos dispositivos IoT em campo — alimentar, aqui, significa fornecer a energia necessária para que os circuitos do aparelho funcionem. Os aspectos a serem considerados neste projeto dependem do ambiente onde o dispositivo IoT será inserido.

No agronegócio, por exemplo, os dispositivos IoT ficam em campo aberto, o que favorece o uso da energia solar em sua alimentação, com armazenamento em baterias recarregáveis. É o caminho natural e usado pela maioria dos sistemas de monitoramento em fazendas. No setor de transportes, por outro lado, os dispositivos IoT tendem a se integrar aos veículos e usam o sistema elétrico do próprio automóvel para alimentação. Como as tensões são baixas os circuitos de alimentação tendem a ficar mais simples.

Na indústria, um sistema de alimentação pode causar problemas inesperados, caso não seja feito um estudo antes de qualquer decisão. Abaixo, apresentamos os dois sistemas clássicos usados na indústria e uma terceira via, ainda em desenvolvimento — e que, no futuro, será cada vez mais usada em sistemas IoT mais simples, como leitura de um único sensor.

 

Usando a rede elétrica

Qualquer fábrica tem, hoje, um grande sistema de distribuição de energia elétrica, ao qual estão ligados desde uma cafeteira nos escritórios até as mais diversas máquinas com motores elétricos de grandes potências. Ao implementar um sistema de controle e monitoramento via IoT, é natural pensar em usar essa rede para a alimentação dos dispositivos IoT — afinal, ela está disponível em toda a planta.

Neste caso, ao projetar um dispositivo IoT, podemos contar que este será ligado diretamente em uma tomada comum de 127 VAC ou 220 VAC ou, quando disponível, aos quadros elétricos de comando, que normalmente possuem fontes de 24 VDC.

Uma das vantagens desta abordagem é que não precisamos nos preocupar muito com o consumo de energia, pois o consumo de um aparelho para IoT é baixo, quando comparado ao das máquinas que irá monitorar. Para linhas de produção fixas, com várias máquinas que não mudam com o tempo, usar a rede elétrica torna-se uma opção bastante eficaz.

O projeto das fontes de alimentação dos aparelhos IoT é mais simples neste caso, já que as tensões são fixas e a eficiência energética não é um requisito muito cobrado. A fiação para a alimentação já está disponível e basta conectar os dispositivos às tomadas ou fazer a conexão as linhas de 24V de comando.

Para o caso de monitoramento de itens que não ficam em locais fixos, como robôs de transporte, pallets ou caixas de material para produção, o uso da rede elétrica não é possível, pois não podemos usar fiação. Nestes casos, a fonte de energia tem que estar dentro ou próxima ao dispositivo IoT.

 

Usando baterias

Baterias são acumuladores de energia que geram corrente elétrica — normalmente, por meio de reações químicas. Existem vários tipos de baterias e a escolha da opção que atenderá às necessidades de um projeto de aparelho para IoT depende do estudo correto do caso de uso.

No caso de robôs móveis, é mais simples utilizar baterias para alimentar os dispositivos IoT, pois os robôs já possuem baterias internas para os motores de tração. Neste caso, o projeto de alimentação dos circuitos para IoT deve levar em conta o consumo de energia dos dispositivos, para não causar grande impacto na autonomia do robô.

Para monitoramento de estoques, devem ser utilizados dispositivos pequenos, que não ocupam muito espaço em caixas ou pallets de transporte. Para tanto, os circuitos e baterias precisam ser os menores possíveis. Como baterias pequenas têm pouca capacidade, o consumo do circuito IoT deve ser restringido para somente o necessário. O tráfego de dados com as medidas dos sensores e acionamentos também deve ser pequeno, para que a troca de mensagens seja feita de forma rápida.

Após a troca de mensagens, o sistema deve entrar em um estado de descanso (hibernação), para reduzir o consumo de energia e aumentar a vida útil da bateria. De tempos em tempos, o sistema “acorda”, faz o monitoramento e controle e cuida da troca de mensagens, voltando a hibernar em seguida. Dessa forma, baterias comuns, não recarregáveis, podem ser usadas por longos períodos, reduzindo a necessidade constante de trocar as baterias por parte do pessoal de manutenção.

Um sistema de fornecimento ideal seria um sistema que não precisa de um cabo para conexão à rede elétrica externa e não depende de uma bateria que precisa ser trocada ou recarregada. Embora pareça ficção, esse tipo de solução já é possível em pequena escala, graças a novas tecnologias eletrônicas com circuitos de baixíssimo consumo — consumo tão baixo que a energia pode ser coletada do ar.

 

Coletando de energia (Energy Harvesting)

Sabemos que energia não pode ser criada e nem destruída, somente transformada. Em uma fábrica, a energia é constantemente transformada em movimento, calor ou até iluminação. Além disso, o ambiente da indústria é cercado de sinais de rádio — como dos roteadores Wi-Fi, de emissoras de rádio etc. É possível coletar um pouco dessa energia dispersa no ar — bem pouco, na verdade — através de circuitos específicos. A energia pode, então, ser acumulada para alimentar pequenos circuitos IoT.

As formas, dispositivos e tecnologias utilizados para a coleta de energia dependem do ambiente onde o dispositivo é instalado. Em locais com variações de temperatura, por exemplo, podem ser usadas células termoelétricas para converter a diferença de temperatura em energia elétrica. Em monitoramento de motores, por outro lado, pode-se aproveitar a vibração destes para converter o movimento em eletricidade, com bobinas e imãs acoplados mecanicamente aos motores e máquinas.

Ondas de rádio também podem ser aproveitadas, captando a energia por uma antena e as acumulando em um capacitor até que haja um nível que possa ser usado por um curto período pelo circuito do dispositivo IoT.

Novamente, é preciso ter cuidado e usar o mínimo de energia possível nos dispositivos IoT, controlando o tamanho das mensagens e simplificando a leitura de sensores para que tudo seja feito de modo rápido. O desafio da coleta de energia é maior do que o de uso de baterias, já que a energia fornecida é menor e tem que ser usada racionalmente, mas, ainda assim, possível. É preciso evitar funções complexas e focar em algo mais simples, como em um sensor de temperatura, por exemplo, que só faz a leitura e passa para um gateway via rádio.

Sem uma bateria ou cabo, o circuito IoT fica mais independente e pode ser instalado com mais facilidade. Como ele é pequeno e mais simples, o custo é menor e é possível instalar muito mais dispositivos espalhados por mais pontos — gerando muito mais dados para análise. A manutenção também é menor, já que não temos baterias para recarregar e o circuito não sofre com os problemas de pico de energia presentes na rede elétrica.

 

Conclusão

Em um projeto de dispositivos para uso em IoT, devemos sempre lembrar do planejamento do sistema de alimentação dos circuitos. Isso é tão importante quanto a definição de qual sistema (Wi-Fi, Bluetooth, etc.) ou protocolo será usado.

O uso da rede elétrica é vantajoso em linhas de produção fixas, onde tomadas e linhas de alimentação DC estão disponíveis, bastando conectar um cabo. Para monitoramento de coisas que podem se mover na fábrica, é necessário o uso de baterias e planejamento dos circuitos e algoritmos de software para redução de consumo.

Novas tecnologias de circuitos eletrônicos surgiram, trazendo componentes que consomem tão pouca energia que podem ser alimentados por dispositivos de coleta — por vibração ou até por ondas de rádio. Com custo baixo, estes dispositivos podem ser aplicados em larga escala, monitorando muito mais coisas pontualmente, gerando muito mais dados para análise.

Atualmente, na indústria, ainda é difícil fugir dos dois tipos tradicionais de alimentação de circuitos eletrônicos — bateria e rede elétrica —, por eles serem as únicas opções com viabilidade prática. No entanto, a coleta de energia, com o tempo, pode se tornar uma boa alternativa futura, que dará mais independência e economia à coleta de dados em processos da indústria.

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