Wie Low-Power-Embedded-Systeme Batterielaufzeiten für das IoT optimieren können

In der sich stetig weiterentwickelnden Welt des Internet of Things (IoT) stehen Unternehmen vor der Herausforderung, energieeffiziente Embedded-Systeme zu entwickeln, die den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht werden. Besonders die Optimierung der Batterielaufzeit von IoT-Geräten ist hier von großer Bedeutung, daher wird Low-Power-Technologie immer wichtiger.

Fortschritte in Low-Power-Embedded-Mikrocontrollern für IoT-Anwendungen

Die jüngsten Fortschritte in der Mikrocontroller-Technologie haben die Energieeffizienz von Embedded-Systemen erheblich verbessert. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Einsatz von Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern, die speziell für IoT-Anwendungen entwickelt wurden. Diese Mikrocontroller nutzen fortschrittliche Energiemanagement-Techniken, um den Stromverbrauch zu minimieren und die Batterielaufzeit zu verlängern.

So hat Infineon im November 2024 den AURIX™ TC4Dx Mikrocontroller vorgestellt, der auf 28nm-Technologie basiert und eine gesteigerte Leistung bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch bietet. Dieser Mikrocontroller kann in Bereichen wie Smart Manufacturing, vernetzte Fahrzeuge und Industrieautomatisierung angewendet werden und hebt die Effizienz solcher Systeme auf ein neues Niveau.

Ein weiteres Beispiel ist die Einführung der i.MX RT700 Crossover-Mikrocontroller von NXP Semiconductors im Oktober 2024. Diese Mikrocontroller sind mit einer Neural Processing Unit (NPU) ausgestattet, die eine effiziente Verarbeitung von KI-Algorithmen am Edge ermöglicht und dabei den Energieverbrauch niedrig hält. NXP hat auch angekündigt, eine Reihe von Lösungen zu entwickeln, die auf batterielose IoT-Anwendungen abzielen, was die nachhaltige Nutzung solcher Systeme weiter vorantreibt.

Energieeffiziente IoT-Protokolle im Vergleich

Die Wahl des richtigen Kommunikationsprotokolls spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs von IoT-Geräten. Protokolle wie Bluetooth Low Energy (BLE) und Narrowband IoT (NB-IoT) wurden entwickelt, um den Energieverbrauch zu minimieren und gleichzeitig eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten. NB-IoT, ein von 3GPP entwickelter Standard, fokussiert sich speziell auf Anwendungen mit geringem Datenvolumen und ermöglicht eine Batterielaufzeit von bis zu zehn Jahren.

Auch LoRa (Long-Range Radio), ein LPWAN-Protokoll, das für seine große Reichweite und niedrigen Energieverbrauch bekannt ist, bietet zahlreiche Vorteile. LoRa eignet sich besonders für kosteneffiziente IoT-Anwendungen wie Smart Cities, Smart Homes und Smart Farming. In Kombination mit energieeffizienten Mikrocontrollern können solche Protokolle dazu beitragen, Geräte mit minimalem Wartungsaufwand über viele Jahre hinweg zu betreiben.

Darüber hinaus wird Wi-Fi HaLow, ein Protokoll mit geringem Energieverbrauch, zunehmend interessanter für IoT-Geräte. Mit einer Reichweite von über einem Kilometer und einer um 80 Prozent niedrigeren Leistungsaufnahme im Vergleich zu herkömmlichem Wi-Fi eignet sich Wi-Fi HaLow ideal für Anwendungen in der Logistik, Landwirtschaft und Industrieautomatisierung.

Intelligente Energiemanagement-Strategien in Embedded-Systemen

Moderne IoT-Geräte nutzen intelligente Energiemanagement-Techniken, um den Energieverbrauch zu optimieren. Adaptive Sampling-Strategien passen die Datenaufnahmefrequenz basierend auf den aktuellen Anforderungen an, wodurch unnötiger Energieverbrauch vermieden wird. Eine im November 2023 veröffentlichte Studie präsentiert einen Algorithmus, der die Sampling-Rate dynamisch anpasst und so die Selbstversorgung von IoT-Geräten sicherstellt.

Zusätzlich ermöglichen fortschrittliche Power-Management-Systeme die Überwachung und Steuerung des Energieverbrauchs in Echtzeit. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der verfügbaren Energiequellen und verlängert die Betriebsdauer der Geräte. Ein im Mai 2024 vorgestelltes Framework bietet eine flexible und energieeffiziente Fernverwaltung von Low-Power-Edge-Geräten, was die Systemzuverlässigkeit und Energieeffizienz verbessert.

Batterielose IoT-Geräte: Energy Harvesting als Zukunftstechnologie

Die Integration von Energy-Harvesting-Technologien ermöglicht es IoT-Geräten, Energie aus ihrer Umgebung zu gewinnen und somit ohne Batterien zu arbeiten. Aktuelle Entwicklungen in diesem Bereich haben zur Einführung von batterielosen IoT-Sensoren geführt, die Energie aus Licht, Vibrationen oder Temperaturunterschieden beziehen. Diese Technologien bieten eine nachhaltige Lösung für den Einsatz von IoT-Geräten in schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen.

Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von IoT-Pixeln, die Energie aus vorhandenen Funkwellen wie Wi-Fi oder Bluetooth ernten und somit ohne externe Stromquelle betrieben werden können. Diese Technologie ermöglicht eine kosteneffiziente und nachhaltige Implementierung von IoT-Anwendungen.

Laut einer Prognose des Marktforschungsunternehmens IDTechEx wird der Markt für batterielose IoT-Geräte bis 2028 ein Volumen von über 5 Milliarden USD erreichen. Dies zeigt das wachsende Interesse an nachhaltigen und wartungsarmen IoT-Lösungen.

Künstliche Intelligenz als Treiber für energieeffiziente IoT-Geräte

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in IoT-Geräten ermöglicht eine präzise Vorhersage des Energieverbrauchs und die Implementierung effizienter Energiemanagement-Strategien. Eine im März 2024 veröffentlichte Studie stellt ein Framework vor, das KI nutzt, um den Energieverbrauch von Low-Power-Edge-Geräten zu überwachen und zu optimieren. Dieses Framework ermöglicht eine flexible und energieeffiziente Fernverwaltung von IoT-Geräten und trägt zur Verlängerung der Batterielaufzeit bei.

Zudem können KI-Algorithmen genutzt werden, um den Energieverbrauch durch prädiktive Wartung zu reduzieren. Durch die Vorhersage von Wartungsbedarfen können unnötige Betriebszeiten vermieden und der Energieverbrauch gesenkt werden. Ein im Juli 2024 veröffentlichtes Framework bietet eine Lösung für prädiktive Wartung und Ressourcenmanagement in Low-Power-IoT-Systemen.

IoT: Optimierung der Batterielaufzeit durch Low-Power-Technologien erfordert ganzheitlichen Ansatz

Die Optimierung der Batterielaufzeit von IoT-Geräten erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der die Auswahl energieeffizienter Mikrocontroller, die Implementierung geeigneter Kommunikationsprotokolle, intelligentes Energiemanagement und den Einsatz von Energy-Harvesting-Technologien umfasst. Die Herausforderung für Unternehmen besteht nun darin, energieeffiziente Embedded-Systeme für das IoT zu entwickeln und somit den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht zu werden.