Lo que los expertos actuales están haciendo para transformar la energía ambiental en sistemas IoT duraderos y sin requisitos de mantenimiento
Durante muchos años, la recolección de energía se ha mantenido al margen de la imaginación de los ingenieros, siendo útil para demostraciones, pero rara vez se ha confiado en ella para implementaciones a gran escala. Simplemente, no era algo en lo que se podía apostar según lo que indicara la hoja de ruta de un producto.
En la actualidad, esa confianza está cambiando. La demanda de crear sistemas IoT sostenibles y sin mantenimiento está en aumento considerablemente. Ya sea por el costo de enviar un camión para sustituir una batería, la huella de carbono de millones de sensores desechables o el argumento comercial para expandirse a nivel mundial sin aumentar el soporte, el mensaje es claro: la industria necesita sistemas más inteligentes, tanto en hardware como en firmware, no solo chips más inteligentes.
Pero este cambio no se trata solo de trucos ingeniosos para mantener un dispositivo en funcionamiento. Se trata de:
- Presupuestar con precisión la energía desde la unidad de recolección hasta la carga.
- Seleccionar estrategias de almacenamiento y gestión de la energía para los peores escenarios posibles.
- Diseñar firmware que se adapte dinámicamente a la disponibilidad de energía.
- Y, sobre todo, validar todo el sistema en condiciones reales, no en suposiciones.
¿El resultado? Dispositivos IoT que pueden funcionar durante años sin necesidad de reponer la batería.
En este artículo, hemos recopilado las opiniones de ingenieros y líderes de producto que trabajan con sistemas de energías renovables y comparten cómo abordan los retos de diseño más difíciles, así como lo que se necesita para crear sistemas realmente escalables.
¿Por qué los equipos con experiencia comienzan con un enfoque a nivel de sistema?
Al diseñar para la recolección de energía, no basta con optimizar solo unos pocos componentes. La confiabilidad se logra al tratar toda la ruta de energía como un sistema dinámico e interdependiente. Uno que debe operar en entornos impredecibles y con limitaciones.
Corriente y voltaje obtenidos de la celda fotovoltaica y del dispositivo de prueba con el circuito integrado de gestión de energía (PMIC) AEM13920 de e-peas.
Como han aprendido muchos desarrolladores que trabajan en esta industria, el éxito de los productos que son impulsados energías renovables depende de decisiones de diseño en etapas tempranas e intencionadas, tales como:
- Comprender el flujo completo de energía desde la fuente de entrada (solar, cinética, térmica) a través del PMIC, hasta el almacenamiento y, finalmente, a través de la regulación hasta la carga.
- Diseñar para la variabilidad de la energía, no para el caso promedio, sino para el peor de los casos. Días sin luz, despliegues donde en la mayor parte del tiempo los dispositivos estarán bajo sobra, o con una entrada de energía degradada.
- Equilibrar las capacidades del hardware con el comportamiento del sistema. La selección de componentes es solo la mitad de la batalla al diseñar productos eficientes, ya que la forma en que el sistema responde a los estados de bajo consumo es igualmente crítica.
Esto requiere una coordinación estratégica entre las capas de hardware, firmware y aplicación. Por ejemplo:
- Una radio ultra eficiente no sirve de nada si transmite con demasiada frecuencia.
- Un supercondensador no funcionará como se espera a menos que se combine con un PMIC que pueda iniciar en frío a bajos voltajes.
- El firmware que no se monitorea ni se adapta a la disponibilidad de energía puede arruinar semanas de optimización energética.
Como dijo Jeff Crystal, director de operaciones de Voltaic Systems:
«Se necesita un sistema que funcione igual en el décimo año que en el primero».
En los sistemas diseñados de esta manera, la energía se convierte en una variable de diseño de prioridad máxima y no en una validación de último momento.
Diseño para condiciones energéticas impredecibles
La energía ambiental no es constante y nunca está garantizada. Este es uno de los retos más persistentes en el diseño de sistemas de recolección de energía en el mundo real.
La irradiación solar puede variar enormemente según la orientación, el clima, la hora del día e incluso la acumulación de suciedad en las celdas. Las fuentes cinéticas y térmicas son igualmente inconsistentes, especialmente cuando los dispositivos se montan en objetos en movimiento o se colocan en entornos interiores con poca actividad.
Corriente y voltaje de las celdas fotovoltaicas en distintas condiciones de iluminación.
En lugar de optimizar para la disponibilidad promedio de energía, los expertos ahora diseñan para el peor de los casos. A fin de garantizar un funcionamiento ininterrumpido, los sistemas deben:
- Incluir buffers de energía capaces de almacenar suficiente carga para periodos de interrupción prolongados, como cuando un dispositivo pierde el acceso a la luz durante días o semanas.
- Utilizar PMIC que se adapten dinámicamente a entradas de energía variables, haciendo un seguimiento de los puntos de máxima potencia y priorizando las rutas críticas.
- Configurar el firmware para regular el comportamiento cuando la energía es escasa, como reducir las frecuencias de muestreo, ampliar los intervalos de reposo o disminuir la potencia de transmisión.
- Elegir componentes que funcionen de manera confiable en un amplio rango de voltaje y temperatura para garantizar un funcionamiento estable en condiciones de campo.
Edin Golubovic, vicepresidente de I+D de Enocean, compartió un caso de uso común que ilustra la necesidad de dicha adaptabilidad:
«Tomemos como ejemplo un rastreador de activos para contenedores, que puede estar expuesto al sol durante unos días y luego permanecer en completa oscuridad durante cuatro semanas. Por lo tanto, se necesitan sistemas de energía que se adapten a esas condiciones».
Aquí se hace evidente la diferencia entre los prototipos de prueba de concepto y las implementaciones en producción. Los dispositivos que funcionan de manera confiable en el campo son el resultado de decisiones de ingeniería delimitadas que consideran la disponibilidad de energía, la variabilidad ambiental y el comportamiento del sistema a lo largo del tiempo.
¿Cómo determina el diseño del firmware la eficiencia del sistema?
El firmware suele ser la clave oculta del éxito de los dispositivos impulsados por energías renovables. Incluso con el hardware más eficiente, un diseño deficiente del firmware puede provocar un comportamiento impredecible, una reducción de la vida útil o un completo fallo del sistema.
Para garantizar la eficiencia, el firmware debe hacer algo más que simplemente ejecutar las tareas programadas, debe:
- Supervisar continuamente la disponibilidad de energía (por ejemplo, el voltaje de almacenamiento, el estado del recolector).
- Adaptar los patrones de muestreo, comunicación y procesamiento en función del estado de la energía.
- Implementar modos de reserva para situaciones de bajo consumo sin sacrificar la funcionalidad principal.
No se trata de conceptos teóricos, sino de limitaciones reales en torno a las que se están construyendo los stacks modernos de firmware.
Tristan Cool, director de marketing de productos de Silicon Labs, señaló este cambio de mentalidad:
«Tuvimos que cambiar todas nuestras aplicaciones de referencia, todas nuestras notas de aplicación, porque no era un caso de uso que hubiéramos contemplado antes. De repente, la gente empezó a usar esta tecnología. Nos dimos cuenta de que teníamos que hacer que el firmware fuera energéticamente eficiente desde el primer día».
Esta transición del firmware estático a los sistemas que reconocen el contexto es lo que permite que presupuestos energéticos más reducidos soporten implementaciones más largas, especialmente en el caso de dispositivos desplegados en entornos remotos o difíciles de mantener.
Validar lo que realmente ocurre, no lo que dice las especificaciones técnicas
Las suposiciones pueden arruinar incluso el diseño de bajo consumo más prometedor. Los ingenieros que construyen sistemas impulsados por energías renovables reconocen cada vez más que la validación en condiciones reales es esencial, no solo útil. Sin ella, los equipos corren el riesgo de:
- Sobreestimar el rendimiento del recolector basándose en una luz solar ideal o en entradas controladas en laboratorio.
- Seleccionar elementos de almacenamiento que se degradan o rinden por debajo de lo esperado en ciclos térmicos/de carga reales.
- Enviar firmware que funciona perfectamente en el banco de pruebas, pero que falla sin previo aviso en el campo.
Como dice Björn Rosqvist, director de producto de Qoitech:
«Hay que saber realmente lo que va a pasar. Hay que verificarlo y comprobarlo por uno mismo, para asegurarse de que realmente funciona».
Eso es exactamente lo que permite la suite de productos Otii. Con ella, los desarrolladores pueden supervisar el consumo de energía en tiempo real, emular curvas de entrada de energía y correlacionar eventos de firmware con el comportamiento del sistema. Todo ello con precisión y repetibilidad.
Montaje de medición de celdas fotovoltaicas y almacenamiento de energía con Otii Ace Pro.
En un ejemplo, los ingenieros utilizaron Otii para evaluar si una celda solar podía alimentar un dispositivo integrado en diferentes condiciones de iluminación. El proceso, detallado en este artículo, muestra cómo incluso pequeños cambios en el entorno de implementación pueden afectar drásticamente a la disponibilidad de energía.
Como complemento, un segundo estudio explica cómo evaluar el comportamiento de almacenamiento de energía bajo cargas dinámicas, lo que ayuda a los ingenieros a tomar mejores decisiones sobre los componentes en las primeras fases del diseño.
Para los sistemas de recolección de energía, el rendimiento en condiciones ideales es poco significativo. Lo que determina el éxito a largo plazo es cómo se comporta el sistema con un consumo y una generación mínimos de energía y con qué grado de confianza se ha validado.
La escalabilidad en la recolección de energía comienza por la coordinacion
Para lograr un sistema fiable de recolección de energía a gran escala no basta con contar con mejores componentes, sino que es necesario coordinar todo el ecosistema de diseño.
Según los expertos que trabajan en implementaciones reales, esta coordinación se extiende ahora a todos los niveles:
- Los proveedores de MCU y silicio están suministrando piezas diseñadas para un funcionamiento con consumo energético ultrabajo y casos de uso de recolección de energía.
- Los proveedores de sistemas y componentes de alimentación están ofreciendo sistemas de almacenamiento y PMIC diseñados para entornos difíciles y variables.
- Las herramientas de prueba y validación facilitan la creación de prototipos y la optimización utilizando perfiles de entrada de energía reales.
- Los marcos de firmware y los kits de desarrollo ahora admiten de forma predeterminada flujos de trabajo que tienen en cuenta el consumo energético.
Como destacó Tristan Cool, la curva de aprendizaje debe reducirse:
«El mercado no tendrá éxito si el desarrollo es demasiado difícil».
¿La buena noticia? Cada vez es más fácil. Los desarrolladores ya no necesitan crear todo desde cero ni adivinar las relaciones entre consumo y rendimiento. Las herramientas, el hardware y la documentación se están unificando para dar soporte a equipos de cualquier tamaño, desde startups hasta grandes fabricantes de dispositivos de internet de las cosas (IoT).
La recolección de energía ha dejado de ser un experimento. Cada vez más, se está convirtiendo en una estrategia de diseño repetible, verificable y escalable. Una estrategia que satisface las demandas reales de los sistemas IoT modernos: mayor vida útil, menor mantenimiento y un funcionamiento sostenible a gran escala.
