Inovando a Sustentabilidade no IoT com DE-LIoT

A demanda por redes de Internet das Coisas (IoT) tá crescendo. Esse crescimento gerou uma necessidade de designs que usam menos energia e duram mais. Uma tecnologia promissora pra isso é a Colheita de Energia (EH), que permite que sensores de IoT captem energia do ambiente. Isso é importante pra fazer dispositivos que possam funcionar por longos períodos sem precisar trocar baterias.

A Comunicação por Luz Visível (VLC) é uma tecnologia chave nessa área. Ela combina o envio de sinais com a capacidade de coletar energia usando luz. Isso significa que os dispositivos podem enviar e receber informações enquanto se recarregam. Porém, a VLC pode enfrentar desafios, especialmente em ambientes fechados, onde movimentos e obstáculos podem afetar a força do sinal.

Em configurações típicas de IoT baseadas em EH, os dispositivos podem parar de coletar energia se a capacidade de armazenamento estiver cheia. Isso resulta em desperdício de energia e ineficiência. Pra resolver esses problemas, foi proposto um novo conceito chamado Internet das Coisas Baseada em Rede de Dados e Energia (DE-LIoT).

#Visão Geral do DE-LIoT

O conceito de DE-LIoT apresenta uma nova forma de integrar coleta de dados e energia nas redes de IoT. A ideia é ter uma rede onde os nós possam se comunicar e compartilhar energia de forma eficiente. Esse sistema é projetado pra ambientes internos e usa um controlador central pra gerenciar o fluxo de energia e dados entre os nós.

A arquitetura DE-LIoT consiste em vários nós que estão bem próximos um do outro. Cada nó pode tanto coletar energia quanto se comunicar com os outros. O controlador central desempenha um papel vital coordenando a operação desses nós, garantindo que a energia seja usada de forma eficaz e que os dados possam ser transmitidos sem interrupção.

Com essa abordagem, a intenção é criar uma rede autossuficiente que possa operar por muito tempo sem precisar de fontes de energia adicionais. Testes iniciais do conceito DE-LIoT mostraram melhorias em quanto tempo os dispositivos podem durar, tornando isso uma solução prática pra redes de IoT sustentáveis.

#A Ascensão das Tecnologias de IoT Sem Fio

Nos últimos anos, as tecnologias de sensores inteligentes IoT sem fio ganharam popularidade. Isso se deve em grande parte aos avanços nas redes de comunicação sem fio e ao uso de inteligência artificial (IA) que melhora o funcionamento desses sistemas. As redes de sensores sem fio podem ser adaptadas a vários setores, incluindo automação, saúde, monitoramento industrial e logística.

Redes em malha, que conectam vários dispositivos de forma eficiente, estão se tornando cada vez mais populares em ambientes de IoT de baixo consumo. Elas são atraentes porque diminuem o uso de energia, aumentam o alcance do sinal, melhoram a confiabilidade e permitem uma integração fácil de novos dispositivos sem grandes alterações no sistema.

Enquanto olhamos pra sistemas de comunicação do futuro, como o 6G, é essencial considerar não apenas o desempenho, mas também a sustentabilidade. Integrar soluções verdes, como designs energeticamente eficientes, tá se tornando mais importante. Além dos desafios típicos enfrentados pelos nós de sensores sem fio, preocupações ambientais também precisam ser abordadas, como o lixo eletrônico gerado quando os dispositivos de IoT chegam ao fim da vida útil.

#Importância da Colheita de Energia

Pra prolongar a vida útil dos dispositivos de IoT, melhorar a eficiência das baterias é vital. É aí que a Colheita de Energia entra em cena. As tecnologias de EH oferecem fontes de poder sustentáveis, especialmente para dispositivos de baixo consumo localizados em lugares remotos. Pra aplicações internas, a colheita de energia fotovoltaica (PV) se destaca pelas suas eficazes capacidades de coleta de energia.

Em redes onde os nós dependem de EH, problemas podem ocorrer se a energia se acumular além do que pode ser armazenado. Isso é especialmente verdadeiro para dispositivos pequenos que têm armazenamento limitado. Se o armazenamento de energia ficar cheio, o processo de colheita pode parar, o que não é uma boa utilização dos recursos. Além disso, o desempenho da colheita de energia PV pode sofrer em condições reais onde sombras ou obstruções reduzem a disponibilidade de luz.

Tecnologias como Transferência de Energia Sem Fio (WPT) podem melhorar a eficiência da colheita de energia. Exemplos incluem Transferência Simultânea de Informação e Energia sem Fio (SWIPT) e Transferência de Energia Óptica sem Fio (OWPT). A OWPT tem recebido atenção recentemente devido às suas forças em transferir energia a longas distâncias sem ser afetada por interferência eletromagnética.

#Desafios com Tecnologias IoT de Radiofrequência (RF)

Nas redes IoT de RF, como Bluetooth Low Energy (BLE) e Zigbee, podem surgir problemas como colisões de sinal, interferências e problemas de largura de banda. Esses desafios muitas vezes levam a um aumento no consumo de energia nos nós. Como resultado, há um crescente interesse em Comunicação Óptica sem Fio (OWC), que busca solucionar as limitações encontradas nas comunicações RF tradicionais.

A Internet das Coisas Baseada em Luz (LIoT) usa luz visível interna tanto pra comunicação quanto pra coleta de energia, permitindo que dispositivos funcionem de forma independente enquanto permanecem amigáveis ao meio ambiente. A LIoT utiliza o vasto espectro óptico pra facilitar a comunicação, oferecendo várias vantagens, como imunidade à interferência eletromagnética, potencial infinito de reutilização do espectro e requisitos de manutenção reduzidos.

Entretanto, flutuações nos sinais de VLC podem acontecer devido a fatores como sombreamento ou reflexões, o que pode dificultar a manutenção de uma comunicação confiável.

#Aplicações da Tecnologia LIoT

A tecnologia LIoT pode ser aplicada efetivamente em vários ambientes que requerem luz interna consistente, como supermercados e armazéns. Muitas ferramentas necessárias pra designs de LIoT, como sensores e colhedores de energia, podem usar tecnologias eletrônicas sustentáveis como Eletrônica Impressa (PE).

Os componentes de PE podem ser produzidos rapidamente e com menos materiais, permitindo designs flexíveis e biodegradáveis. O potencial pra futuros designs de IoT utilizando esses métodos ambientalmente amigáveis é significativo. À medida que a tecnologia de PE avança, torna-se viável criar dispositivos de LIoT totalmente livres de baterias e biodegradáveis, o que pode ajudar a reduzir o lixo eletrônico.

#A Arquitetura DE-LIoT

A rede DE-LIoT proposta visa entregar tanto dados quanto energia em ambientes de IoT densamente povoados. Esse sistema foca em maximizar a eficiência da troca de energia e comunicação.

No design DE-LIoT, um Ponto de Acesso Óptico (OAP) atua como o controlador central, enviando tanto sinais de iluminação quanto de comunicação pros nós dentro da sua área. Os nós são categorizados como Nós Sensores Primários (PSN) ou Nós Sensores Secundários (SSN) com base na iluminação que recebem. Os PSNs mais próximos do OAP se beneficiam de maior captação de energia e níveis de sinal, enquanto os SSNs mais distantes enfrentam maiores desafios.

Pra melhorar o desempenho, os PSNs podem compartilhar sua energia excedente com os SSNs vizinhos quando necessário. Esse conceito, chamado de "Transbordamento de Energia", permite que os PSNs emprestem energia pra nós que possam estar lutando devido à baixa iluminação.

Além disso, a estrutura DE-LIoT permite que os nós relayem energia e dados. Quando o OAP detecta uma situação de baixa energia em um SSN, ele pode otimizar o fluxo de energia e dados com base nas condições dos PSNs próximos.

#Características Principais do DE-LIoT

1. Compartilhamento de Energia: O sistema DE-LIoT incentiva os nós a compartilhar energia excedente com outros, aumentando a eficiência geral.
2. Controle Centralizado: O OAP gerencia a distribuição de energia e os fluxos de comunicação, melhorando a responsividade do sistema.
3. Uso Ótimo de Recursos: O sistema visa usar energia e dados de forma mais eficaz, permitindo vidas operacionais mais longas pros nós.
4. Escalabilidade: A estrutura DE-LIoT pode ser expandida, permitindo que mais nós sejam adicionados facilmente sem grandes ajustes na rede.

#Casos de Uso do DE-LIoT

A tecnologia DE-LIoT pode ser integrada em vários cenários de uso, incluindo:

• Casas Inteligentes: Usando sensores autônomos em energia pra monitorar temperatura, umidade e ocupação.
• Saúde: Implementando sistemas de rastreamento de saúde que dependem de baixo consumo de energia e transmissão eficiente de dados.
• Logística: Melhorando o monitoramento da cadeia de suprimentos com dispositivos que coletam dados enquanto minimizam o uso de energia.

#Desafios Técnicos e Soluções

1. Gerenciamento de Recursos: Os nós precisam gerenciar efetivamente suas operações de energia e rede de dados pra evitar quedas.
2. Confiabilidade da Comunicação: Flutuações nos sinais de VLC podem dificultar a comunicação; portanto, técnicas adaptativas são necessárias pra melhorar a estabilidade do sinal.
3. Fatores Ambientais: Os nós devem se adaptar às mudanças nas condições de iluminação interna que podem afetar tanto a coleta de energia quanto o desempenho da comunicação.

Pra resolver esses desafios, o DE-LIoT emprega algoritmos inovadores que permitem que os nós avaliem continuamente seu status de energia e comunicação. O OAP usa essas avaliações pra otimizar a distribuição de energia e o gerenciamento de dados.

#Avaliação de Desempenho do DE-LIoT

Testes realizados na estrutura DE-LIoT mostram resultados promissores. Implementações iniciais de hardware demonstram como os nós podem operar de forma eficaz através de uma combinação de compartilhamento de dados e energia.

Através de simulações e testes no mundo real, o sistema DE-LIoT mostrou melhorias significativas na longevidade operacional dos nós, sugerindo que ele pode suportar efetivamente a implantação generalizada de redes de IoT sustentáveis e eficientes.

#Conclusão

O conceito DE-LIoT propõe uma solução sustentável pra redes de IoT autônomas em energia que aproveitam a luz visível pra comunicação e colheita de energia. Ele oferece uma abordagem inovadora pra gerenciar fluxos de dados e energia em ambientes densamente povoados de sensores, enquanto minimiza o desperdício de energia e mantém uma comunicação eficaz.

Com o potencial de futuros avanços em tecnologias como eletrônica impressa, o DE-LIoT pode ainda mais melhorar a sustentabilidade dos sistemas de IoT, posicionando-os pra aplicações mais amplas em vários setores. Esse novo paradigma de integrar colheita de energia com comunicação de dados oferece um vislumbre de um futuro mais sustentável pra dispositivos interconectados.