Innovationen für Nachhaltigkeit im IoT mit DE-LIoT

Die Nachfrage nach Internet of Things (IoT) Netzwerken wächst. Dieses Wachstum hat die Notwendigkeit von Designs geschaffen, die weniger Energie verbrauchen und länger halten können. Eine vielversprechende Technologie, um das zu erreichen, ist Energy Harvesting (EH), die es IoT-Sensoren ermöglicht, Energie aus ihrer Umgebung zu sammeln. Das ist wichtig, um Geräte zu entwickeln, die lange Zeit ohne neue Batterien arbeiten können.

Visible Light Communication (VLC) ist eine Schlüsseltechnologie in diesem Bereich. Sie kombiniert das Senden von Signalen mit der Fähigkeit, Energie durch Licht zu sammeln. Das bedeutet, dass Geräte Informationen senden und empfangen können, während sie sich gleichzeitig selbst aufladen. Allerdings kann VLC Herausforderungen haben, besonders in Innenräumen, wo Bewegung und Hindernisse die Signalstärke beeinträchtigen können.

In typischen EH-basierten IoT-Setups können Geräte aufhören, Energie zu sammeln, wenn ihre Speicherkapazität voll ist. Das führt zu verschwendeter Energie und Ineffizienz. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde ein neues Konzept namens Data-Energy Networking-enabled Light-based Internet of Things (DE-LIoT) vorgeschlagen.

#Übersicht über DE-LIoT

Das DE-LIoT-Konzept stellt eine neue Möglichkeit dar, Daten- und Energiesammlung in IoT-Netzwerken zu integrieren. Die Idee ist, ein Netzwerk zu haben, in dem Knoten effizient kommunizieren und Energie teilen können. Dieses System ist für Innenräume ausgelegt und verwendet einen zentralen Controller, um den Energie- und Datenfluss zwischen den Knoten zu steuern.

Die DE-LIoT-Architektur besteht aus vielen eng verteilten Knoten. Jeder Knoten kann sowohl Energie sammeln als auch mit anderen kommunizieren. Der zentrale Controller spielt eine wichtige Rolle, indem er den Betrieb dieser Knoten koordiniert und sicherstellt, dass Energie effektiv genutzt wird und Daten ohne Unterbrechung übertragen werden können.

Durch diesen Ansatz soll ein autarkes Netzwerk geschaffen werden, das lange ohne zusätzliche Energiequellen arbeiten kann. Erste Tests des DE-LIoT-Konzepts haben Verbesserungen in der Betriebsdauer der Geräte gezeigt, was es zu einer praktischen Lösung für nachhaltige IoT-Netzwerke macht.

#Der Aufstieg der drahtlosen IoT-Technologien

In den letzten Jahren haben drahtlose Smart-IoT-Sensortechnologien an Popularität gewonnen. Das liegt zum Grossteil an den Fortschritten in drahtlosen Kommunikationsnetzwerken und dem Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI), die die Funktionsweise dieser Systeme verbessert. Drahtlose Sensornetzwerke können an verschiedene Sektoren angepasst werden, einschliesslich Automatisierung, Gesundheitswesen, industrielle Überwachung und Logistik.

Mesh-Netzwerke, die mehrere Geräte effizient verbinden, werden in energiearmen IoT-Umgebungen immer beliebter. Sie sind attraktiv, weil sie den Energieverbrauch senken, die Reichweite des Signals erweitern, die Zuverlässigkeit verbessern und die einfache Integration neuer Geräte ohne grosse Systemänderungen ermöglichen.

Wenn wir auf zukünftige Kommunikationssysteme wie 6G schauen, ist es wichtig, nicht nur die Leistung, sondern auch die Nachhaltigkeit zu berücksichtigen. Die Integration von grünen Lösungen, wie energieeffizienten Designs, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Neben den typischen Herausforderungen, mit denen drahtlose Sensorknoten konfrontiert sind, müssen auch Umweltbedenken berücksichtigt werden, wie der E-Schrott, der entsteht, wenn IoT-Geräte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

#Bedeutung von Energy Harvesting

Um die Lebensdauer von IoT-Geräten zu verlängern, ist die Verbesserung der Batteriewirkung entscheidend. Hier kommt das Energy Harvesting ins Spiel. EH-Technologien bieten nachhaltige Energiequellen, insbesondere für energiearme Geräte an abgelegenen Standorten. Für Innenanwendungen sticht die photovoltaische (PV) Energieernte aufgrund ihrer effektiven Energieerfassungsfähigkeiten hervor.

In Netzwerken, in denen Knoten auf EH angewiesen sind, können Probleme auftreten, wenn sich Energie über das Speichervolumen hinaus anhäuft. Das ist besonders bei kleinen Geräten mit begrenztem Speicher der Fall. Wenn der Energiespeicher voll ist, kann der Ernteprozess stoppen, was keine gute Ressourcennutzung darstellt. Ausserdem kann die Leistung der PV-Energieernte unter realen Bedingungen leiden, in denen Schatten oder Blockaden die Lichtverfügbarkeit reduzieren.

Technologien wie Wireless Power Transfer (WPT) können die Effizienz der Energieernte verbessern. Beispiele sind Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) und Optical Wireless Power Transfer (OWPT). OWPT hat kürzlich Aufmerksamkeit erregt, weil es Stärken beim Übertragen von Energie über längere Distanzen hat, ohne von elektromagnetischen Störungen betroffen zu sein.

#Herausforderungen bei Radio Frequency (RF) IoT-Technologien

In RF-IoT-Netzen wie Bluetooth Low Energy (BLE) und Zigbee können Probleme wie Signalzusammenstösse, Störungen und Bandbreitenprobleme auftreten. Diese Herausforderungen führen oft zu einem erhöhten Energieverbrauch in den Knoten. Daher gibt es ein wachsendes Interesse an Optical Wireless Communication (OWC), das versucht, die Einschränkungen traditioneller RF-Kommunikationen anzugehen.

Das Light-Based Internet of Things (LIoT) nutzt sichtbares Licht in Innenräumen sowohl für Kommunikation als auch für Energieerfassung und ermöglicht es Geräten, unabhängig zu arbeiten und gleichzeitig umweltfreundlich zu bleiben. LIoT verwendet das umfangreiche optische Spektrum, um Kommunikation zu erleichtern, und bietet zahlreiche Vorteile wie Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen, endlose Möglichkeiten zur Spektrumwiederverwendung und reduzierte Wartungsanforderungen.

Allerdings können Schwankungen in VLC-Signalen auftreten, aufgrund von Faktoren wie Schatten oder Reflexionen, was die Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Kommunikation erschweren kann.

#Anwendungen der LIoT-Technologie

Die LIoT-Technologie kann effektiv in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, die konstantes Innenlicht erfordern, wie Supermärkte und Lagereinrichtungen. Viele Werkzeuge, die für LIoT-Designs erforderlich sind, wie Sensoren und Energieernter, können nachhaltige Elektroniktechnologien wie Printed Electronics (PE) nutzen.

PE-Komponenten können schnell und mit weniger Material hergestellt werden, was flexible und biologisch abbaubare Designs ermöglicht. Das Potenzial für zukünftige IoT-Designs, die diese umweltfreundlichen Methoden nutzen, ist erheblich. Mit dem Fortschritt der PE-Technologie wird es möglich, vollständig batteriefreie und biologisch abbaubare LIoT-Geräte zu schaffen, die dazu beitragen können, E-Schrott zu reduzieren.

#Die DE-LIoT-Architektur

Das vorgeschlagene DE-LIoT-Netzwerk zielt darauf ab, sowohl Daten als auch Energie über dicht besiedelte IoT-Umgebungen zu liefern. Dieses System konzentriert sich darauf, die Effizienz des Energieaustauschs und der Kommunikation zu maximieren.

Im DE-LIoT-Design dient ein Optical Access Point (OAP) als zentraler Controller, der sowohl Beleuchtungs- als auch Kommunikationssignale an die Knoten in seinem Bereich sendet. Die Knoten werden als Primary Sensor Nodes (PSN) oder Secondary Sensor Nodes (SSN) kategorisiert, basierend auf der Beleuchtung, die sie erhalten. PSNs, die dem OAP am nächsten sind, profitieren von höherer Energieernte und Signalstärken, während SSNs, die weiter weg sind, grösseren Herausforderungen gegenüberstehen.

Um die Leistung zu verbessern, können PSNs ihre überschüssige Energie bei Bedarf mit benachbarten SSNs teilen. Dieses Konzept, das "Energy Spilling" genannt wird, ermöglicht es PSNs, Energie an Knoten zu verleihen, die aufgrund geringer Beleuchtung Schwierigkeiten haben.

Darüber hinaus ermöglicht das DE-LIoT-Rahmenwerk den Knoten, Energie und Daten weiterzuleiten. Wenn der OAP eine niedrige Energiesituation in einem SSN erkennt, kann er den Fluss von Energie und Daten basierend auf den Bedingungen der nahegelegenen PSNs optimieren.

#Schlüsselfunktionen von DE-LIoT

1. Energieteilen: Das DE-LIoT-System ermutigt Knoten, überschüssige Energie mit anderen zu teilen und so die Gesamteffizienz zu steigern.
2. Zentralisierte Kontrolle: Der OAP verwaltet die Energieverteilung und die Kommunikationsflüsse und verbessert die Reaktionsfähigkeit des Systems.
3. Optimale Ressourcennutzung: Das System zielt darauf ab, Energie- und Datenressourcen effektiver zu nutzen, was längere Betriebszeiten für die Knoten ermöglicht.
4. Skalierbarkeit: Das DE-LIoT-Rahmenwerk kann erweitert werden, sodass problemlos weitere Knoten hinzugefügt werden können, ohne grosse Anpassungen am Netzwerk vornehmen zu müssen.

#Anwendungsfälle von DE-LIoT

Die DE-LIoT-Technologie kann in verschiedenen Nutzungsszenarien integriert werden, darunter:

• Smart Homes: Nutzung energieautonomer Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Belegung.
• Gesundheitswesen: Implementierung von Gesundheitstracking-Systemen, die auf geringem Energieverbrauch und effizienter Datenübertragung basieren.
• Logistik: Verbesserung der Überwachung der Lieferkette mit Geräten, die Daten sammeln und gleichzeitig den Energieverbrauch minimieren.

#Technische Herausforderungen und Lösungen

1. Ressourcenmanagement: Knoten müssen ihre Energie- und Daten-Netzwerkoperationen effektiv verwalten, um Ausfälle zu vermeiden.
2. Kommunikationszuverlässigkeit: Schwankungen in VLC-Signalen können die Kommunikation behindern; daher sind adaptive Techniken erforderlich, um die Stabilität des Signals zu verbessern.
3. Umweltfaktoren: Knoten müssen sich an Veränderungen der Innenbeleuchtungsbedingungen anpassen, die sowohl die Energieernte als auch die Kommunikationsleistung beeinflussen können.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, verwendet DE-LIoT innovative Algorithmen, die es den Knoten ermöglichen, ihren Energie- und Kommunikationsstatus kontinuierlich zu bewerten. Der OAP nutzt diese Bewertungen, um die Energieverteilung und das Datenmanagement zu optimieren.

#Leistungsevaluation von DE-LIoT

Tests des DE-LIoT-Rahmenwerks zeigen vielversprechende Ergebnisse. Erste Hardware-Implementierungen zeigen, wie Knoten effektiv durch eine Kombination aus Daten- und Energieaustausch betrieben werden können.

Durch Simulationen und reale Tests hat das DE-LIoT-System signifikante Verbesserungen in der Betriebsdauer der Knoten gezeigt, was darauf hindeutet, dass es die weit verbreitete Einführung nachhaltiger und effizienter IoT-Netzwerke effektiv unterstützen kann.

#Fazit

Das DE-LIoT-Konzept schlägt eine nachhaltige Lösung für energieautonome IoT-Netzwerke vor, die sichtbares Licht für Kommunikation und Energieernte nutzen. Es bietet einen innovativen Ansatz zur Verwaltung von Daten- und Energieflüssen in dicht besiedelten Sensorumgebungen, während es Energieverschwendung minimiert und eine effektive Kommunikation aufrechterhält.

Mit dem Potenzial für zukünftige Fortschritte in Technologien wie gedruckter Elektronik kann DE-LIoT die Nachhaltigkeit von IoT-Systemen weiter verbessern und sie für breitere Anwendungen in verschiedenen Sektoren positionieren. Dieses neue Paradigma, das Energieernte mit Datenkommunikation integriert, bietet einen Ausblick auf eine nachhaltigere Zukunft für vernetzte Geräte.