AO 448

86 | SETTEMBRE 2023 AUTOMAZIONE OGGI 448 I progressi nella microelettronica, nei sistemi micro-elettro-meccanici (Mems) e nelle tec- nologie a radiofrequenza hanno permesso lo sviluppo di sensori compatti con comuni- cazione wireless. Requisito fondamentale di questi dispositivi è disporre di energia a bordo che ne garantisca un funzionamento prolunga- to, dove la soluzione tipica è legata all’uso di batterie. Tuttavia, queste ultime pongono strin- genti vincoli in termini di necessità di ricarica/ sostituzione e smaltimento, con conseguenti limitazioni tecniche, aggravio economico e im- patto ambientale. In concreto, la possibilità di applicare su larga scala scenari emergenti come quelli dell’IoT (In- ternet of Things) trova nell’alimentazione dei nodi sensore un collo di bottiglia. Attualmente, la batteria di un nodo sensore ha una vita operativa mediamente stimabile in non oltre 3 anni, durata che è considerata limitata e inmolte applicazioni insufficiente e non compatibile con uno sviluppo pervasivo dei sistemi IoT. La graduale riduzione dei consumi dell’elettronica e il miglioramento tecnologico delle batterie consentiranno pro- gressi, ma una prospettiva differente, certamente affascinante e promettente, è quella di utilizzare per l’alimentazione l’energia presente nell’am- biente sotto varie forme e convertirla nel domi- nio elettrico mediante opportune tecniche di recupero energetico (energy harvesting). Effetti di conversione e tecnologie Lo schema a blocchi generale di un sensore wireless alimentato da energy harvesting (EH) è illustrato nella Figura 1. Il contesto operativo da cui estrarre energia può essere un impianto/ processo, per esempio industriale, l’ambiente naturale, o il corpo umano nel caso, per esem- pio, dei sistemi indossabili (wearable). Tra le principali sorgenti di energia utilizzabili figurano: la radiazione solare, l’energia mecca- nica proveniente da vibrazioni, movimento e flussi di fluidi, l’energia termica sotto forma di gradienti di temperatura e l’energia elettroma- gnetica a radio frequenza (RF) presente come fondo, o deliberatamente immessa in una re- gione di spazio per energizzare dispositivi. Gli esempi puramente indicativi, riportati in tabella, mostrano che, per dimensioni di inte- resse pratico, le potenze ricavabili sono media- mente comprese tra 10 µW e 10 mW. A seconda delle situazioni operative e del fenomeno a cui è associata l’energia da convertire, il flusso di potenza in uscita può essere soggetto a signi- ficative variazioni nel tempo, intermittenza o anche interruzione prolungata. Condizioni simili e livelli di potenza così ridotti richiedono all’interno dei nodi sensore oppor- tuni circuiti elettronici di gestione dell’energia (power management) e architetture innovative per il condizionamento dei segnali, intrinseca- mente robuste rispetto a condizioni di alimen- tazione variabili e poco prevedibili. L’energia nel dominio elettrico in uscita al blocco di con- versione (harvester), adeguatamente condi- zionata dai circuiti di power management, può essere utilizzata per caricare una batteria, Tutorial AUTOMAZIONE OGGI Vittorio Ferrari Comitato tecnico di Automazione Oggi, Fieldbus&Networks e Soluzioni Software per l’Industria Le soluzioni di EH promettono di garantire il funzionamento prolungato dei dispositivi impiegati in applicazioni IoT Ricavare l’alimentazione dall’ambiente L’energy harvesting (EH) si propone di utilizzare, per l’alimentazione dei nodi sensori delle reti wireless, l’energia presente nell’ambiente sotto varie forme, convertita nel dominio elettrico mediante opportune tecniche di recupero energetico. Vediamo come Fonte: foto Shutterstock