Innovando la sostenibilidad en IoT con DE-LIoT

La demanda de redes de Internet de las Cosas (IoT) está creciendo. Este crecimiento ha creado la necesidad de diseños que usen menos energía y que puedan durar más. Una tecnología prometedora para lograr esto es la Captura de Energía (EH), que permite a los sensores IoT recolectar energía de su entorno. Esto es importante para hacer dispositivos que puedan funcionar por largos períodos sin necesidad de nuevas baterías.

La Comunicación por Luz Visible (VLC) es una tecnología clave en este área. Combina el acto de enviar señales con la capacidad de recolectar energía usando luz. Esto significa que los dispositivos pueden enviar y recibir información mientras también se están cargando. Sin embargo, VLC puede enfrentar desafíos, especialmente en interiores, donde el movimiento y los obstáculos pueden afectar la fuerza de la señal.

En las configuraciones típicas de IoT basadas en EH, los dispositivos pueden dejar de recolectar energía si su capacidad de almacenamiento está llena. Esto resulta en energía desperdiciada e ineficiencia. Para abordar estos desafíos, se ha propuesto un nuevo concepto llamado Internet de las Cosas Basado en Redes de Datos y Energía (DE-LIoT).

#Visión general del DE-LIoT

El concepto DE-LIoT presenta una nueva forma de integrar la recolección de datos y energía en redes IoT. La idea es tener una red donde los nodos puedan comunicarse y compartir energía de manera eficiente. Este sistema está diseñado para entornos interiores y emplea un controlador central para gestionar el flujo de energía y datos entre los nodos.

La arquitectura DE-LIoT consiste en muchos nodos que están distribuidos estrechamente. Cada nodo puede recolectar energía y comunicarse con otros. El controlador central juega un papel vital al coordinar la operación de estos nodos, asegurando que la energía se use de manera efectiva y que los datos puedan ser transmitidos sin interrupciones.

Al usar este enfoque, el objetivo es crear una red autosuficiente que pueda operar durante mucho tiempo sin necesidad de fuentes de energía adicionales. Las pruebas iniciales del concepto DE-LIoT han mostrado mejoras en la duración de los dispositivos, lo que lo convierte en una solución práctica para redes IoT sostenibles.

#El auge de las tecnologías IoT inalámbricas

En los últimos años, las tecnologías de sensores IoT inalámbricos han ganado popularidad. Esto se debe en gran parte a los avances en redes de comunicación inalámbrica y al uso de inteligencia artificial (IA) que mejora cómo funcionan estos sistemas. Las redes de sensores inalámbricos se pueden adaptar a varios sectores, incluyendo la automatización, atención médica, monitoreo industrial y logística.

Las redes en malla, que conectan múltiples dispositivos de manera eficiente, están ganando cada vez más popularidad en entornos IoT de bajo consumo. Son atractivas porque reducen el uso de energía, extienden el alcance de la señal, mejoran la fiabilidad y permiten una fácil integración de nuevos dispositivos sin grandes cambios en el sistema.

Al mirar hacia futuros sistemas de comunicación, como el 6G, es esencial considerar no solo el rendimiento, sino también la sostenibilidad. Integrar soluciones ecológicas, como diseños energéticamente eficientes, se está volviendo más importante. Además de los desafíos típicos que enfrentan los nodos de sensores inalámbricos, también deben abordarse preocupaciones ambientales, como los residuos electrónicos generados cuando los dispositivos IoT llegan al final de su vida útil.

#Importancia de la Captura de Energía

Para prolongar la vida útil de los dispositivos IoT, mejorar la eficiencia de la batería es vital. Aquí es donde entra la Captura de Energía. Las tecnologías de EH ofrecen fuentes de energía sostenibles, particularmente para dispositivos de bajo consumo situados en lugares remotos. Para aplicaciones en interiores, la captura de energía fotovoltaica (PV) destaca por sus efectivas capacidades de Recolección de energía.

En redes donde los nodos dependen de EH, pueden ocurrir problemas si la energía se acumula más allá de lo que se puede almacenar. Esto es especialmente cierto para dispositivos pequeños que tienen almacenamiento limitado. Si el almacenamiento de energía se llena, el proceso de recolección puede detenerse, lo que no es un buen uso de los recursos. Además, el rendimiento de la captura de energía PV puede verse afectado en condiciones reales donde sombras u obstrucciones reducen la disponibilidad de luz.

Tecnologías como la Transferencia de energía inalámbrica (WPT) pueden mejorar la eficiencia de la captura de energía. Ejemplos incluyen la Transferencia Simultánea de Información y Energía Inalámbrica (SWIPT) y la Transferencia de Energía Inalámbrica Óptica (OWPT). OWPT ha recibido recientemente atención debido a sus fortalezas en la transferencia de energía a mayores distancias sin ser afectada por interferencias electromagnéticas.

#Desafíos con las tecnologías IoT de Radiofrecuencia (RF)

En redes IoT de RF, como Bluetooth Low Energy (BLE) y Zigbee, pueden surgir problemas como colisiones de señales, interferencias y problemas de ancho de banda. Estos desafíos a menudo llevan a un aumento en el consumo de energía en los nodos. Como resultado, hay un creciente interés en la Comunicación Óptica Inalámbrica (OWC), que busca abordar las limitaciones encontradas en las comunicaciones RF tradicionales.

El Internet de las Cosas Basado en Luz (LIoT) utiliza luz visible interior tanto para la comunicación como para la recolección de energía, permitiendo que los dispositivos funcionen de manera independiente mientras siguen siendo amigables con el medio ambiente. LIoT utiliza el vasto espectro óptico para facilitar la comunicación, brindando numerosas ventajas como inmunidad a la interferencia electromagnética, potencial infinito para reutilización del espectro y reducción en los requisitos de mantenimiento.

Sin embargo, pueden ocurrir fluctuaciones en las señales VLC debido a factores como sombras o reflejos, lo que puede dificultar el mantenimiento de una comunicación confiable.

#Aplicaciones de la tecnología LIoT

La tecnología LIoT se puede aplicar eficazmente en varios entornos que requieren luz interior constante, como supermercados y almacenes. Muchas herramientas necesarias para los diseños de LIoT, como sensores y recolectores de energía, pueden utilizar tecnologías electrónicas sostenibles como Electrónica Impresa (PE).

Los componentes PE pueden producirse rápidamente y con menos materiales, permitiendo diseños flexibles y biodegradables. El potencial para futuros diseños de IoT que utilicen estos métodos ecológicos es significativo. A medida que la tecnología PE avanza, se vuelve factible crear dispositivos LIoT completamente libres de baterías y biodegradables, lo que puede contribuir a reducir los residuos electrónicos.

#La arquitectura DE-LIoT

La red DE-LIoT propuesta tiene como objetivo entregar tanto datos como energía en entornos IoT densamente poblados. Este sistema se centra en maximizar la eficiencia del intercambio de energía y comunicación.

En el diseño DE-LIoT, un Punto de Acceso Óptico (OAP) sirve como el controlador central, enviando tanto señales de iluminación como de comunicación a los nodos dentro de su área. Los nodos se clasifican como Nodos de Sensor Primario (PSN) o Nodos de Sensor Secundario (SSN) según la iluminación que reciben. Los PSNs más cercanos al OAP se benefician de mayores niveles de recolección de energía y señal, mientras que los SSNs más lejanos enfrentan mayores desafíos.

Para mejorar el rendimiento, los PSNs pueden compartir su energía excedente con SSNs vecinos cuando sea necesario. Este concepto, llamado "Desbordamiento de Energía", permite que los PSNs presten energía a nodos que pueden estar luchando debido a poca iluminación.

Además, el marco DE-LIoT permite que los nodos retransmitan energía y datos. Cuando el OAP detecta una situación de baja energía en un SSN, puede optimizar el flujo de energía y datos según las condiciones de los PSNs cercanos.

#Características clave de DE-LIoT

1. Compartición de Energía: El sistema DE-LIoT fomenta que los nodos compartan energía excedente con otros, aumentando la eficiencia general.
2. Control Centralizado: El OAP gestiona la distribución de energía y los flujos de comunicación, mejorando la capacidad de respuesta del sistema.
3. Uso Óptimo de Recursos: El sistema busca usar los recursos de energía y datos de manera más efectiva, permitiendo una mayor duración operativa para los nodos.
4. Escalabilidad: El marco DE-LIoT puede expandirse, permitiendo que se añadan más nodos fácilmente sin grandes ajustes en la red.

#Casos de uso de DE-LIoT

La tecnología DE-LIoT se puede integrar en varios escenarios de caso de uso, incluyendo:

• Hogares Inteligentes: Utilizando sensores autónomos energéticamente para monitorear temperatura, humedad y ocupación.
• Atención Médica: Implementando sistemas de seguimiento de salud que dependen de un bajo consumo de energía y transmisión de datos eficiente.
• Logística: Mejorando el monitoreo de la cadena de suministro con dispositivos que recopilan datos mientras minimizan el uso de energía.

#Desafíos técnicos y soluciones

1. Gestión de Recursos: Los nodos deben gestionar efectivamente sus operaciones de energía y redes de datos para evitar cortes.
2. Fiabilidad de la Comunicación: Las fluctuaciones en las señales VLC pueden obstaculizar la comunicación; por lo tanto, se necesitan técnicas adaptativas para mejorar la estabilidad de la señal.
3. Factores Ambientales: Los nodos deben adaptarse a cambios en las condiciones de iluminación interior que pueden afectar tanto la captura de energía como el rendimiento de la comunicación.

Para abordar estos desafíos, DE-LIoT emplea algoritmos innovadores que permiten a los nodos evaluar continuamente su estado de energía y comunicación. El OAP utiliza estas evaluaciones para optimizar la distribución de energía y la gestión de datos.

#Evaluación del rendimiento de DE-LIoT

Las pruebas realizadas en el marco DE-LIoT muestran resultados prometedores. Las implementaciones iniciales de hardware demuestran cómo los nodos pueden funcionar de manera efectiva a través de una combinación de intercambio de datos y energía.

A través de simulaciones y pruebas en el mundo real, el sistema DE-LIoT ha mostrado mejoras significativas en la longevidad operativa de los nodos, lo que sugiere que puede apoyar eficazmente el despliegue generalizado de redes IoT sostenibles y eficientes.

#Conclusión

El concepto DE-LIoT propone una solución sostenible para redes IoT autónomas en energía que aprovechan la luz visible para la comunicación y la captura de energía. Proporciona un enfoque innovador para gestionar los flujos de datos y energía dentro de entornos de sensores densamente poblados mientras minimiza el desperdicio de energía y mantiene una comunicación efectiva.

Con el potencial de futuros avances en tecnologías como la electrónica impresa, DE-LIoT puede mejorar aún más la sostenibilidad de los sistemas IoT, posicionándolos para aplicaciones más amplias en varios sectores. Este nuevo paradigma de integrar la captura de energía con la comunicación de datos ofrece un vistazo a un futuro más sostenible para dispositivos interconectados.