Transforma Insights выпустила отчёт «The potential for energy harvesting powering IoT devices» с прогнозом числа устройств интернета вещей, которые потенциально смогут получать энергию из четырёх основных источников: солнечного света, движения, тепла и радиочастотных сигналов. Такие устройства могут работать без батарей и подключения к внешнему источнику питания. Отдельную часть исследования компания посвятила быстро развивающемуся сбору энергии радиочастотного излучения и подходящим для него IoT-сценариям.
При RF-сборе энергии окружающие электромагнитные волны от Wi-Fi, радиопередатчиков, базовых станций сотовой связи GSM и других источников преобразуются в электричество. Ключевой компонент такой системы — ректенна: антенна принимает радиосигналы, а выпрямитель преобразует их в пригодный для питания постоянный ток. Плотности фоновой RF-энергии часто недостаточно для надёжной работы, поэтому рядом с беспроводными узлами приходится устанавливать специальные передатчики, направляющие на них радиочастотную мощность. Этот подход называют контролируемым сбором энергии (Controlled Harvesting).
RF-сбор даёт небольшую мощность на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких метров. Речь идёт о мощности от единиц микроватт до нескольких милливатт, поэтому технология подходит только для IoT-устройств со сверхнизким энергопотреблением и простых меток, передающих данные. Обычно такие устройства большую часть времени спят, редко отправляют небольшие пакеты, используют простые датчики и энергоэффективные протоколы связи вроде Zigbee или Bluetooth. К этой группе относятся электронные ценники, а также датчики температуры, влажности и качества воздуха в помещениях.
По оценке Transforma Insights, наибольший потенциал RF-сбора энергии имеют электронные ценники, устройства контроля качества воздуха в помещениях, маяки, триггерные устройства, системы предотвращения потерь и определения местоположения товаров, мониторинга цепочек поставок и контроля товарных запасов. Компания выделяет четыре основные группы применений:
- Контроль цепочек поставок. Отслеживание посылок, палет, контейнеров и ролл-кейджей, а также контроль температуры и влажности товаров, особенно скоропортящихся. Эти решения помогают определять местоположение грузов, предотвращать кражи и сокращать потери. Именно здесь сегодня сосредоточена большая часть коммерческих внедрений. Walmart использует IoT-метки Wiliot для массового отслеживания палет и рассчитывает довести их число до 90 млн к концу 2026 года. Британская Royal Mail развернула IoT Pixels компании Wiliot для отслеживания более 900 тыс. ролл-кейджей.
- Управление запасами. Отслеживание одежды и других розничных товаров, электронные ценники, учёт активов, предотвращение краж и контроль наличия продукции.
- Мониторинг окружающей среды. Маломощные датчики температуры, влажности и других параметров в зданиях, на складах, в магазинах и на других объектах.
- Маяки. Небольшие устройства Bluetooth, передающие сигнал находящимся рядом смартфонам и другим приёмникам, например для рекламы в магазинах. Обычно им требуется очень мало энергии, а передача длится недолго. При частой рассылке рекламных сообщений или непрерывном измерении параметров возможностей RF-сбора энергии может не хватить.
Transforma Insights прогнозирует, что к концу 2030 года потенциально получать питание за счёт RF-сбора смогут 3 млрд подключённых IoT-устройств — примерно десятая часть их общего числа. Более 59% этого потенциала, или 1,72 млрд устройств, придётся на управление запасами и мониторинг, прежде всего на электронные ценники и контроль товарных остатков. Следом идут автоматизация зданий с долей 15% и отслеживание объектов (Track & Trace) с долей 10%.
К автоматизации зданий здесь относятся простые датчики дверей, окон, присутствия и движения, срабатывающие при определённых событиях. Категория Track & Trace охватывает устройства для определения местоположения, выявления краж и отслеживания активов в цепочках поставок.
Ограничения технологии пока существенны:
- Низкая плотность мощности. В окружающем электромагнитном излучении доступно очень мало RF-энергии. Для её сбора могут понадобиться антенны большой площади, что непрактично для большинства IoT-устройств. Специальные RF-передатчики способны частично решить проблему, но даже с ними технология подходит только для датчиков и маяков с минимальным энергопотреблением.
- Ограниченный КПД преобразования. Слабые радиосигналы дают очень небольшую полезную мощность постоянного тока. Её недостаточно для устройств сложнее простых узлов, которые редко передают данные.
- Непостоянная доступность энергии. Уровень фонового радиосигнала меняется, а сам сигнал может появляться с перерывами. Сделать питание более предсказуемым можно с помощью специальных локальных передатчиков.
RF-сбор энергии уже позволяет отдельным типам IoT-устройств работать без батарей, но прогноз в 3 млрд устройств описывает потенциально пригодные сценарии, а не гарантированный масштаб внедрения. По оценке Transforma Insights, для реализации этого потенциала потребуются заметные улучшения компонентов, поскольку плотность доступной мощности, эффективность преобразования и стабильность радиосигнала пока остаются серьёзными ограничениями.