Pysäyttämättömältä vaikuttava IoT-kehitys tuo jo lähivuosina kymmeniä miljardeja IoT-solmulaitteita samaan verkkoon. Energiatehokkuus nousee samalla kehityksen ykköshaasteeksi. Verkon energiajalanjäljen hillitsemiseksi on pakko hyödyntää käyttöenergian keräämistä esimerkiksi tärinästä, valosta ja lämmöstä.

Esineiden internet IoT on laaja kokonaisuus, joka käsittää lukuisten kohteiden liittämisen internet-pilveen, jotta erilaisia tilanteita voidaan hallita algoritmien ja ohjaustoimintojen avulla. IoT saattaa muuttaa ratkaisevasti koko asetelmaa sekä teollisuudelle että kuluttajille tarjotun palveluvalikoiman, tehokkuuden, kustannusten, skaalautuvuuden ja luotettavuuden suhteen. Tämä muutos saattaa tapahtua lähes rajattomasti ja uskomattoman monipuolisesti kaikilla mahdollisilla sovellusalueilla.

Analyytikot arvioivat, että aivan lähivuosina nettiin kytkettyjen IoT-solmujen lukumäärä kasvaa jo miljardeihin, ja tämä osaltaan kuvastaa, kuinka valtavia mahdollisuuksia kehitys voi tuoda tullessaan. Kuten monissa muissakin teollisuus- ja kulutussektorin edistysaskelissa IoT-kehityksessäkin keskeisiä tekijöitä ovat elektroniikka, innovatiivinen suunnittelu ja tekninen osaaminen. IoT:n kriittinen ja tärkeä vahvuus on kyky mitata erilaisia suureita, ohjata järjestelmiä sekä käsitellä ja siirtää kerättyä dataa mahdollisimman kustannus- ja energiatehokkaasti.

Elektroniikkateollisuutta motivoi ehkä eniten tämän alueen valtava ja laaja-alainen markkinapotentiaali, ja alalla on hyvin nopeasti oivallettu IoT:n ja sitä tukevien ekosysteemien ympärillä vallitseva kiihkeä kiinnostus ja aktiivinen toiminta. Monissa tapauksissa tämä on stimuloinut innovaatiota, jotka sisältävät jännittäviä teknisiä ratkaisuja sekä laitteiden että ohjelmistojen puolella.

IoT:n synnyttämä ’viraalinen aalto’ on niin vahva, että se vaikuttaa valtavaan joukkoon kohteita, joita kukaan ei aiemmin osannut edes kuvitella: kaikkea mahdollista sähkötyökaluista ja hammasharjoista aina kasveihin ja karjaan asti. Lukuisille esineille voidaan ajatella muodostettavan eräänlainen ’digitaalinen kaksoisolento’, aivan kuten ihmisille voidaan ajatella ’pilvi-avatar’.

Nettiin liitettyjen älykkäiden esineiden tarjoamat uudet oivallukset mahdollistavat reaalimaailman toimintojen tehokkuuden parantamisen, kustannusten alentamisen, yleisen elämänlaadun kohentamisen ja lisäksi paljon muuta. Ja mikä parasta, IoT:n avulla voidaan vaikuttaa positiivisella tavalla miljardeihin samaan verkkoon kytkettyihin kohteisiin. Tätä voidaan havainnollistaa vertaamalla verkon rakennetta ihmisaivojen sisältämien neuronien välisiin lukemattomiin yhteyksiin.

Harvard Business Review -lehdessä kuvailtiin näitä järjestelmien yhteenliittymiä ja laajoja kokonaisuuksia useissa artikkeleissa marraskuussa 2014 (How Smart, Connected Products Are Transforming Competition, kirjoittajina Michael E. Porter ja James E. Heppelmann). Kuvatuissa ’järjestelmien järjestelmissä’ voidaan soveltaa ’älykästä valintaa’, joka toteutuessaan voi tuntua olla jopa pelottavalta.

Kuva 1. Esineiden internetin yksinkertaistettu periaate.

Kuvassa 1 nähdään nykyisen IoT:n yksinkertaistettu rakennekaavio. Vasemmalla sijaitsevat nettiin kytketyt laitteet muodostavat IoT:n näkyvimmän osan. Oikealla sijaitsevat käyttäjille näkymättömät alueet, jotka kuitenkin ovat ratkaisevia suorituskyvyn kannalta. Tälle alueelle on sijoitettu järjestelmän sisältämä tekoäly: IoT-palvelimet, kiintolevyasemat, pilvilaskenta, tietoturvan varmistukset ynnä muu vastaava.

Energiankäytön haasteet

IoT-tekniikan käyttöalueen ääripäiden vaatimukset tehonkulutukselle ovat hyvin erilaiset ja omaleimaiset, kuten kuvasta 2 nähdään.

Kuva 2. IoT:n käyttöalueen tehonkulutusvaatimukset.

Lyhyesti ilmaistuna IoT-käytössä on (suhteessa IoT-solmujen lukumäärään) hyvin vähäinen määrä pilvipalvelimia, jotka kuluttavat hyvin paljon energiaa. Ne toimivat täydellä teholla kaiken aikaa, joten niiden energiankulutus on valtava. IoT-ekosysteemin toisessa ääripäässä on valtava määrä päätesolmuja, joiden tehonkulutus on hyvin vähäistä ja käyttöenergiaa vaativat aktiiviset toimintajaksot hyvin lyhyitä ja harvaan tapahtuvia.

Viime kesänä Ranskan Nancyssä järjestetyssä Word Material Forum -tapahtumassa pidettiin aiheeseen syventyvä esitys otsikolla ”Big Data/AI for Materials Efficiency”. Stanfordin professorina toimiva Reinhold Dauskardt toi konseptissaan ilmi seuraavaa: ”Pelkästään Yhdysvalloissa sijaitsevien datakeskusten vuotuinen energiankulutus on noin 90 miljardia kilowattituntia. Tämä vastaa 34 ydinvoimalan (á 500 MW) energiantuotantoa tai puolta koko Ranskan ydinvoimakapasiteetista (noin 56 reaktoria).

Datakeskusten ja pilvilaskennan palvelinresurssien valtavaa tehontarvetta kuvastaa myös se tilastofakta, että vuonna 2017 koko maailman sähkönkulutuksesta datakeskukset veivät jo 3 prosenttia. Monien mielestä lukema saattaa tuntua vielä melko alhaiselta, mutta ihmiskunnan kyltymätön tarve datan luomiseen, kuluttamiseen ja siirtämiseen muodostaa eräänlaisen Mooren lain, jonka perusteella datakeskusten energiankulutuksen arvioidaan kaksinkertaistuvan aina neljän vuoden välein. Ellei tässä kehityksessä tapahdu oleellisia muutoksia, tietokoneet käyttävät vuoteen 2037 mennessä enemmän sähköenergiaa kuin koko maailmassa tuotetaan tällä hetkellä.

Dauskardt jatkoi esitystään päättelemällä: ”Parinkymmenen seuraavan vuoden suurena haasteena on vähentää IoT-alueen energiajalanjälkeä suunnittelemalla yhä enemmän nettiin liitettyjä mutta sähköverkosta irrotettuja esineitä. Niiden on oltava itsenäisesti toimivia ja kyettävä hyödyntämään energialähteenä mitä tahansa ajateltavissa olevaa kuten tärinää, lämpöä ja valoa.”

Kuten aiemmin todettiin, päätesolmujen määrästä tehdyt arviot ennustavat kymmenien miljardien solmujen tulevan käyttöön vuoteen 2021 mennessä. Kullakin niistä on hyvin alhainen tehonkulutus ja yhdessä lyhyiden, harvaan tapahtuvien käyttöjaksojen kanssa voidaan päästä hyvin vähäisiin yksittäisiin energiankulutuslukuihin, mikä on sinänsä hyvä asia. Solmujen lukumäärän dramaattinen kasvu kuitenkin korreloi potentiaalisesti erittäin suuren maailmanlaajuisen tehonkulutuksen kanssa.

Energiankeruu avuksi

Edellä mainituista syistä energiatehokkuus eli korkea hyötysuhde on kriittinen vaatimus kaikille nykyisille ja varsinkin tuleville tuotteille ja palveluille. Kriteereihin kuuluvat entistä alhaisemmat käyttökustannukset, säädöstenmukaisuus, ympäristötietoisuus ja akun kestoaika. Suurella osalla IoT-reunasolmuista, jotka yleensä ovat langattomia ja akkukäyttöisiä, erittäin alhainen virrankulutus tulee yhä tärkeämmäksi ja kriittisemmäksi tekijäksi laitevalmistajille, jotka haluavat kehittää käytännöllisiä ja helposti omaksuttavia ratkaisuja.

Langattomuus mahdollistaa alhaisemmat käyttöönoton investoinnit (ei kaapelointikuluja, pieni koko). Ilman paristoa toimivan ratkaisun etuja taas ovat vähäisemmät käyttökulut ja se, että akkuun liittyviä huoltopalveluja ei tarvita lainkaan, joten energiantuotantoon aina liittyvät päästöongelmatkin voidaan välttää kokonaan.

Miten sitten voidaan yhdistää kytkettävyys, mittausanturit ja paristoton toiminta? Komponenttiteknologian ja käytettävissä olevien tietoliikenneprotokollien älykkään yhdistelmän avulla yksi päätesolmu voi muodostaa siirtoyhteyden noin 100 mikrojoulen energialla. Nykyään monet hyllytavarana myytävät energiankeruupiirit pystyvät tuottamaan 200 – 500 µJ energiaa, joten ne riittävät hyvin tähän tarkoitukseen. Energiankeruulaitteet voivat toimia tapahtumaohjatusti (kytkimen tapaan) tai jatkuvasti kuten aurinkokennot tai termosähkögeneraattorit.

IoT-alueen yhteyskäytännöt

Bluetooth on lähiradiostandardi, jolla on määräävä markkina-asema IoT-ekosysteemeissä. ON Semiconductorin kehittämä alusta Bluetooth Low Energy System-on-Chip (SoC) on noussut johtavaan asemaan ja saavuttanut testeissä uusia vertailuarvoja IoT-sovellusten suorityskyvyssä. ZigBee-protokollan Green Power -ominaisuus puolestaan sallii omavaraisesti tai energiankeruun avulla toimivien kohteiden liittämisen järjestelmään. ON Semiconductorin LPWAN-verkkoja (Low-Power Wide Area Network) varten kehittämäalusta Sigfox Sub-GHz transceiver and SoC portfolio taas sallii käyttäjien laventaa kytkettävyyden kapeakaistaisen datansiirron sovelluksiin.

Koska datansiirtoyhteyden sisältävä SoC-järjestelmäpiiri on usein ensimmäinen valinta IoT-laitteiden kehittämiseen, nämä alustat tarjoavat tukevan pohjan IoT-ratkaisujen OEM-valmistajille ja palveluntarjoajille.

Kuva 3. ON Semiconductorin IoT-kehityspaketti.

Integroituja anturiratkaisuja

Energiankeruuta hyödyntävät älykkäät SPS-anturit (Smart Passive Sensor) ja NFC-EEPROM-piirit (Near Field Communication) edustavat yhdistelmätekniikoita, joiden avulla voidaan luoda innovatiivisia ja energiatehokkaita ratkaisuja mittausantureita varten. Lisäksi sijainninseuranta, ympäristön valoisuuden mittaus ja liikkeidentunnistus ovat avainasemassa sekä koneiden että ihmisten ympäristön ymmärtämisessä.

Näiden osien yhteistoiminta, jonka avulla voidaan tarjota valmiita integroituja ratkaisuja ja käytännössä toimivia prototyyppejä, tuo suunnitteluun mielenkiintoisen haasteen. Siinä erilaiset työkalut kuten ON Semiconductorin IoT Development Kit (IDK) voivat pehmentää, nopeuttaa ja yksinkertaistaa konseptien kehitystyötä. Näin käyttäjät voivat nopeasti ja helposti mitata, yhdistellä ja analysoida tietoja omiin IoT-sovelluksiinsa.

IoT-maailma on ’järjestelmien järjestelmä’ ja siksi sen toteutus edellyttää myös järjestelmätason lähestymistapaa. ON Semiconductor on kerännyt ja kehittänyt erilaisia tekniikoita IoT:n ja sen ekosysteemien palvelemiseksi. IoT-kehitys näyttää pysäyttämättömältä ja se vaikuttaa positiivisesti lukuisiin eri prosesseihin ja ’asioihin’ lähes kaikilla teollisuuden ja kulutustuotteiden sektoreilla. Hyödyntämisen potentiaalisen laajuuden vuoksi optimaalisen energiatehokkuuden saavuttaminen on IoT-toteutusten kriittinen tekijä.

Energiankeruu keskiössä

Energiankeruun uusien ratkaisumallien kehittämiseen on vahva kiinnostus edellä mainituista syistä, mutta myös siksi, että itse energiankeruulaitteetkin perustuvat enimmäkseen kriittisiin materiaalilähteisiin. Supertehokkaat erikoismagneetit voivat kerätä mekaanisesta liikkeestä energiaa toimimalla dynamon tavoin. Aurinkokennot puolestaan keräävät fotoneista energiaa ja voivat varastoida sen esimerkiksi litiumakkuun.

Energiankeruulaitteiden ensisijaisten raaka-aineiden lähteet ovat nykyään hyvin rajallisia ja harvojen toimittajien sekä valtioiden hallinnassa ja valvonnassa. Näiden hankaluuksien vuoksi maailmanlaajuinen tutkimus- ja kehitysyhteisö pitää tätä aluetta erittäin ’kuumana’ tutkimusaiheena.

ON Semiconductorin kaltaisten elektroniikkateollisuuden asiantuntijoiden teknisen innovaatio-osaamisen avulla voidaan tukea, edistää ja ohjata ympäristöystävällisten ratkaisujen laajaa käyttöönottoa IoT-järjestelmissä, mikäli haluamme tämän koko teollisuuden asetelmia muuttavan mahdollisuuden toteutuvan ennustetussa mittakaavassa.