Energieeffiziente Geräte für das Internet of Things entwickeln

| Autor / Redakteur: Bruno Damien * / Michael Eckstein

Stromsparer: IoT-Entwicklungskits wie das von ON Semiconductor können die Konzeptentwicklung energieeffizienter Geräte vereinfachen und beschleunigen.
Stromsparer: IoT-Entwicklungskits wie das von ON Semiconductor können die Konzeptentwicklung energieeffizienter Geräte vereinfachen und beschleunigen. (Bild: ON Semiconductor)

Die rasante Verbreitung von IoT-Geräten hat auch eine dunkle Seite: Der Gesamtenergiebedarf für die praktischen Services nimmt drastisch zu. Eine hohe Energieeffizienz wird daher immer wichtiger.

Das Internet of Things (IoT) steht für die Anbindung von Objekten an die Internet-Cloud. Auch solchen Produkten, an die bislang kaum jemand gedacht hat – von Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen über Pflanzen und Viehbestände bis hin zu elektrischen Zahnbürsten. Wir können so genannte „Digital-Twins“ für viele Objekte auf dieselbe Weise betrachten wie Cloud-Avatare für Menschen. Analysten gehen davon aus, dass in nur wenigen Jahren viele Milliarden vernetzter IoT-Knoten vorhanden sein werden. Entscheidend für den Erfolg des Internet of Things ist die Fähigkeit, Daten stromsparend und kostengünstig erfassen, verarbeiten und übertragen zu können.

Die Verbindung von Systemen und „Systemen von Systemen“ wurde von Harvard Business Review bereits Ende 2014 beschrieben („Wie intelligente, vernetzte Produkte den Wettbewerb verändern“ von Michael E. Porter und James E. Heppelmann). Bild 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des heutigen IoT. Auf der linken Seite befinden sich die vernetzten Endgeräte. Rechts sind die Bereiche, die für Anwender in der Regel nicht sichtbar, aber entscheidend für die Leistungsfähigkeit von IoT-Applikationen sind. In diesem Bereich sind künstliche Intelligenz (KI), IoT-Server, Storage-Systeme, Cloud-Computing, Sicherheits-Checks etc. angesiedelt.

Steigender Stromverbrauch ist eine große Herausforderung

Beide Enden der IoT-Domäne haben eindeutige und sehr unterschiedliche Anforderungen an den Stromverbrauch (Bild 2). Im Vergleich zur Anzahl der IoT-Knoten gibt es nur eine kleine Anzahl von Cloud-Servern. Diese verbrauchen viel Strom, zudem sind sie rund um die Uhr in Betrieb. Der Energiebedarf ist entsprechend hoch. Und nimmt zu, da immer mehr Cloud-Services in Anspruch genommen werden. Am anderen Ende des IoT-Ökosystems findet sich eine große Zahl von Endknoten. Viele davon sind die meiste Zeit über im Stand-by-Modus. Ihre aktiven Phasen beispielsweise zum Aufnehmen und Versenden von Daten sind kurz, so dass sie nur wenig Leistung benötigen. Durch ihre rasante Verbreitung steigt ihr Beitrag zum Gesamtenergiebudget trotzdem schnell an.

Folgende Zahlen verdeutlichen die Problematik: Im Juni 2018 hatte das World Material Forum in Nancy, Frankreich, eine Arbeitssitzung mit dem Titel „Big Data/KI für Materialeffizienz“. In seinem Beitrag beschrieb Stanford-Professor Reinhold Dauskardt, dass der jährliche Stromverbrauch von US-Rechenzentren auf 90 Mrd. kWh zugenommen habe. Dies entspreche 34 Kernkraftwerken mit 500 MW oder der Hälfte der Kernkraftwerke Frankreichs (etwa 56 AKWs). Eine weitere Zahl veranschaulicht den enormen Strombedarf von Rechenzentren/Cloud-Computing-Servern: 2017 entfielen 3% des weltweiten Stromverbrauchs auf Rechenzentren.

Getrieben von der hohen Nachfrage bei der Datenerfassung, -verarbeitung und -kommunikation gibt es eine Art Moore‘sches Gesetz für den Energieverbrauch von Rechenzentren: Er verdoppelt sich etwa alle vier Jahre. Wenn diese Entwicklung anhält, verbrauchen Rechner bis 2037 theoretisch mehr elektrische Energie als derzeitig weltweit produziert wird. Experten schätzen, dass bis 2021 mehrere zehn Milliarden Knoten bereitgestellt werden. Jeder von ihnen hat einen sehr geringen Stromverbrauch. Zusammen mit einer begrenzten aktiven Betriebszeit kann dies helfen, den Stromverbrauch der einzelnen Knoten weitgehend zu reduzieren. Doch allein die enorme Zahl der Endknoten kann zu einem sehr hohen weltweiten Stromverbrauch führen.

Energie aus der Umgebung für batterielose Endknoten

Reinhold Dauskardt folgert daraus: „Eine große Herausforderung in den nächsten 20 Jahren besteht darin, den Energieverbrauch des IoT zu reduzieren, indem Objekte entworfen werden, die mit dem Internet vernetzt sind aber vom elektrischen Versorgungsnetzen getrennt sind. Sie müssen stromsparend und autonom sein sowie jede Energiequelle nutzen, die man sich denken kann – etwa Vibration, Wärme und Licht.“ Mit anderen Worten: Die Bedeutung von Energy Harvesting, also der Umwandlung von Umgebungsenergie in elektrisch nutzbaren Strom, nimmt in den nächsten Jahren enorm zu.

Energieeffizienz ist bereits heute eine wesentliche Anforderung an viele IoT-Produkte und -Dienstleistungen – deren Bedeutung in der Zukunft aufgrund der o.g. Kriterien zunimmt. Gründe dafür sind auch gewünschte niedrigere Betriebskosten, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Umweltbewusstsein und Akkulaufzeit. Da ein großer Prozentsatz von IoT-Edge-Knoten (am Netzwerkrand) wahrscheinlich funk- und batteriebetrieben ist, wird der extrem niedrige Stromverbrauch sogar zu einer Notwendigkeit und zu einem entscheidenden Vorteil für Hersteller, die praktische Lösungen entwickeln möchten. Eine Funkanbindung sorgt für niedrigere Investitionskosten bei der Bereitstellung (keine Verdrahtungskosten und weniger Gewicht). Batterielose Produkte bieten niedrigere Betriebskosten. Und da keine Batterien getauscht werden müssen, lässt sich die mit der Energieerzeugung verbundene Umweltbelastung vollständig vermeiden.

Doch wie lassen sich Datenanbindung, Sensorik und batterieloser Betrieb zuverlässig vereinen? Durch intelligentes Kombinieren aus Bauteilen und bewährten Kommunikationsprotokollen kann ein Endknoten eine Datenanbindung mit einem Energiebudget von nur 100 µJ aufrechterhalten. Bis heute können viele handelsübliche Energy Harvester diesen Bedarf decken, indem sie 200 bis 500 µJ Energie bereitstellen. Energy Harvester können ereignisgesteuert (etwa in einem Lichtschalter) oder kontinuierlich Energie bereitstellen (z.B. eine Solarzelle oder ein thermoelektrischer Generator).

Datenanbindung im IoT über unterschiedliche Standards

Bluetooth ist heute der am weitesten verbreitete Funkstandard im IoT-Markt. Die Bluetooth Low-Energy (BLE) System-on-Chip-Plattform (SoC) RSL10 von ON Semiconductor setzt neue Branchen-Benchmarks bei der Leistungsfähigkeit in IoT-Anwendungen. Weit verbreitet ist zudem das ZigBee-Protokoll. Seine Green-Power-Funktion erlaubt mittlerweile den Anschluss von Schaltungen, die sich per Energy Harvesting selbst mit Strom versorgen. ON Semiconductors eigene und Sigfox-Sub-GHz-Transceiver sowie das SoC-Angebot für LPWANs (Low-Power Wide Area Networks) ermöglich darüber hinaus eine größere Reichweite für Anwendungen mit Schmalband-Übertragungen. Die geplante Datenanbindung ist für viele Entwickler ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der grundlegenden Komponenten für ein Projekt. Daher sind die genannten Plattformen gut für OEMs und Dienstleister geeignet, die IoT-Lösungen entwickeln wollen.

Intelligente Passivsensoren (SPS, Smart Passive Sensors) mit Energy Harvesting und NFC-EEPROMs (Near Field Communication) sind ergänzende Techniken für innovative energieeffiziente Sensorlösungen. Darüber hinaus sind Positionsbestimmung, Umgebungslichtmessung und Bewegungserkennung entscheidend für das Wahrnehmen der Umgebung – sowohl von Maschinen als auch von Menschen. Das Zusammenspiel dieser Disziplinen, um sofort einsatzfertige integrierte Lösungen oder praktikable Proof-of-Concept-Prototypen bereitzustellen, ist eine spannende Herausforderung. Hier können Tools wie das IoT Development Kit (IDK) von ON Semiconductor die Konzeptentwicklung beschleunigen und vereinfachen, sodass Nutzer schnell und einfach Daten für ihre IoT-Anwendungen messen, sammeln und analysieren können.

Die Zukunft des Energy Harvesting

Das Internet of Things ist ein „System von Systemen“. Seine Umsetzung erfordert einen Ansatz sowohl auf Komponenten- als auch Systemebene. ON Semiconductor bietet geeignete Technologien für das IoT und sein Ökosystem an. Es ist absehbar, dass sich das IoT weiter schnell verbreiten und sich in Industrie- und Konsumbereichen positiv auf Prozesse und „Dinge“ auswirken wird. Gleichzeitig muss der Stromverbrauch beherrschbar bleiben. Bestmögliche Energieeffizienz aller Bestandteile von IoT-Anwendungen ist daher essenziell. Energy-Harvesting wird dabei eine immer wichtigere Rolle spielen. Die Entwicklung entsprechender Lösungen geht rasant voran. Dazu zählen beispielsweise supereffiziente Magnete, die in der Lage sind, wie ein Dynamo durch Bewegung Energie zu erzeugen.

Solarzellen sammeln die Energie von Photonen und können sie in Lithium-Ionen-Akkus speichern. Harvester-Rohmaterialien sind allerdings ein rares Gut, das nur in wenigen Regionen verfügbar ist. Nicht zuletzt deswegen schätzt die weltweite Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft dieses Thema als sehr wichtig ein. Man kann den weit verbreiteten Einsatz umweltfreundlicher Lösungen für das IoT fördern und durch technische Neuerungen von Elektronikspezialisten wie ON Semiconductor unterstützen und vorantreiben. Nur so ist sichergestellt, dass diese bahnbrechende Chance in der vorhergesagten Größenordnung zur Realität wird.

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* Bruno Damien ist Marketing Director EMEA von ON Semiconductor in Vélizy-Villacoublay.

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