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Viernes 29 de marzo de 2019

Weekly Tip ISC: Estrategias de diseño microelectrónico para el Internet of Things (IoT) en escenarios hostiles

Por Carlos A. De la Cruz

La creciente demanda de energía está amenazando la sostenibilidad del actual modelo de desarrollo, destruyendo recursos, degradando el medio ambiente y provocando el calentamiento global. La consecución de formas de reducir el consumo energético es hoy acuciante. Una parte frecuentemente olvidada de este consumo es debida a los sistemas de telecomunicaciones. El transporte de información tiene un importante coste energético, y la consecución de tecnologías de sensado y transmisión más eficiente energéticamente es una prioridad internacional en investigación. En este contexto, la eficiencia energética se contempla como un aspecto indispensable en el despliegue del paradigma el internet de las cosas (Internet of Things (IoT)). En este paradigma muchos objetos cotidianos, lugares, personas, etcétera dispondremos de elementos electrónicos baratos y eficientes que nos permitirá estar conectados a través de internet. Se prevé que el número de dispositivos sensores permanentemente conectados alcance los billones en la próxima década. Muchos escenarios IoT, como los que implican monitorización distribuida de grandes extensiones o estructuras, requieren miríadas de nodos microsensores inalámbricos formando redes ad hoc para la captación, procesado, y transmisión de información. Esta visión no es económica ni energéticamente factible si no se logra una considerable reducción en el consumo de estos nodos. El elevado número de nodos y/o la dificultad del acceso a su emplazamiento hacen que el recambio de baterías tenga un alto coste económico y medioambiental. En estos escenarios, la captación de energía del entorno es prácticamente obligada para complementar la energía proporcionada por la batería o incluso para eliminar. Sin embargo, en muchos escenarios de gran relevancia práctica (incluyendo la mayoría de entornos interiores no iluminados permanentemente) la disponibilidad de energía ambiental es escasa e intermitente, constituyendo entornos extremos desde el punto de vista energético. El diseño de sistemas microelectrónicos orientados a estos escenarios constituye un desafío tecnológico notable al llevar al límite la eficiencia requerida en los sistemas de captación, almacenamiento y gestión energética y en los sistemas de sensado, procesado y transmisión de información. Para abordar dicho desafío es preciso un enfoque multidisciplinar que abarque de forma holística todos los aspectos de capa física: transceptores, interfaces de sensores y sistemas de Energy Harvesting.

 

Fotografía de una celda microelectrónica diseñada en el instituto de Smart Cities. La tecnología utilizada es CMOS de AMI 0.5 um  y dicho prototipo puede emplearse para desarrollar sistemas IoT.

 

En este sentido se encuentran desarrollando e investigando diversas soluciones bajo estas condiciones. Debido a la escasez e intermitencia de la energía disponible se usan esquemas de captación híbridos, que permitan obtener energía eficientemente de diversas fuentes en función de su disponibilidad, empleando generalmente una combinación de captación de luz y vibraciones como solución robusta y relativamente barata. En escenarios con gradientes térmicos suficientes y estables, la generación termoléctrica se añade al mix energético. Así, se emplean como transductores células fotovoltaicas, piezoeléctricos y células Peltier. En lugar de emplear un conversor de potencia independiente para cada transductor, es más eficiente en términos de tamaño y coste emplear un conversor MIMO (multiple input, multiple output), que puede adaptar la carga presentada en función del transductor empleado para maximizar la eficiencia de potencia y aplicar la tensión resultante a diferentes elementos de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores. En algunos escenarios, dada la incertidumbre en la energía ambiental disponible, para garantizar suficiente energía en estos nodos se emplea (si es viable) una alimentación inalámbrica auxiliar de los nodos, empleando típicamente ondas radioeléctricas o de ultrasonidos.

Dentro del instituto de Smart cities se cuenta con un equipo multidisciplinar con la capacidad de diseñar sistemas microelectrónicos completos y el acceso a nivel prototipo de la fabricación de circuitos integrados dedicados a esta tarea. En la actualidad se están realizando varios proyectos de investigación financiados tanto a nivel básico como aplicado con empresas en esta temática posicionando al instituto en una situación estrategia con una gran proyección de futuro. 



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