사물 인터넷(IoT)의 잠재적 사용 사례가 매일 증가하고 있다. 초저전력 마이크로컨트롤러 및 엣지 기반 기계 학습과 같은 여러 기술 발전의 결합된 효과 덕분에 IoT 애플리케이션의 다양성이 확대되고 있으며, 저전력 광역 네트워크(LPWAN)의 사용으로 센서는 선을 통한 전원 공급 없이도 원격지에서 정기적으로 보고할 수 있다.


이러한 모든 기술 발전은 스마트 농업 IoT 사용 사례와 같이 우리 앞에 놓인 장벽을 제거한다.

전력선과 와이파이 연결을 통해 멀리 떨어진 농장에 배터리로 작동하는 토양 수분 및 pH 센서를 배치하는 일은 간단하며 비용도 적게 든다.

■ 선 없는 IoT

스마트 도시와 스마트 농업에 배터리 구동 IoT 장치 도입이 빠르게 인기를 얻고 있지만, 이는 많은 IoT 사용 사례 중 두 가지 예일 뿐이다. 배터리 용량은 장치가 얼마나 오래 동작할 수 있는지 결정하며, 장치의 전력 소모 프로파일에 전적으로 의존한다.

특히 원격지에서 배터리를 교체하는 비용은 배터리 비용에 비해 매우 높아진다. 따라서 가령 6개월 미만의 배터리 수명은 이 경우 실행 가능하지 않다.

센서의 마이크로컨트롤러와 무선 트랜시버를 딥 슬립 모드로 가능한 오래 유지할 경우 배터리 수명을 늘릴 수 있다.

또한 특정 유형의 IoT 센서의 듀티 사이클은 상대적으로 낮을 수 있다. 예를 들어 뿌리 깊이의 토양 수분 측정값은 30분 동안 크게 변할 가능성이 없기 때문에 30분마다 읽으면 합리적인 지표가 된다.

매 주기마다 장치의 마이크로컨트롤러가 깨어나 수분 센서를 읽고, 전송할 준비가 된 데이터를 감싼다.

다음으로 트랜시버가 LPWAN에 대한 링크를 활성화하고 데이터 패킷을 전송해야 한다. 수신 확인 후, 트랜시버와 마이크로컨트롤러는 둘 다 슬립 모드로 돌아갈 수 있다. 장치의 전력 소모는 링크를 구축하고 데이터를 전송하는 동안 최대치가 한 자릿수 ㎂ 슬립 모드보다 훨씬 높아서 짧은 시간에 100㎃가 될 수 있다.

신중한 전력 관리 기법이 배터리 용량을 절약할 수 있지만, 궁극적으로 배터리는 교체 또는 재충전을 필요로 한다.

■ 에너지 하베스팅 기술

충전식 배터리 사용은 현명한 선택이지만, 충전 상태를 유지하는 방법은 무엇일까. 태양 전지판은 실외 장치를 충전하는 데 오랫동안 사용되어 왔지만, 환경에서 에너지를 모으는 유일한 방법은 아니다.

많은 IoT 센서 장치의 저전력 특성은 배터리 용량과 배터리를 부동 충전하는 데 필요한 에너지가 충분하지 않다는 것을 의미한다.

또한 배터리 용량은 물리적 크기를 결정하므로, 작게 유지할 경우 다른 이점도 제공한다. 밀리와트 및 마이크로와트 에너지를 생산하는 새로운 에너지 하베스팅 기법은 실행 가능한 대안이 될 수 있다.

○ 태양광

태양광은 이미 많은 실외 애플리케이션을 위한 우수한 에너지원으로 널리 사용되고 있으며, 실내 주변광을 하베스팅 할 수도 있다. 실내에서 하베스팅 하는 에너지는 사용 가능한 광원, 빛의 온도 및 위치에 따라 크게 달라진다. 따라서 하베스팅 되는 에너지양은 예측하기 어렵고, 실외 태양 전지판보다 훨씬 적다.

○ 기계적 진동

많은 연구 논문은 기계적 움직임에서 하베스팅 하는 여러 종류의 에너지를 보고한다. 움직임은 사람들이 다리를 따라 걸을 때와 같이 때때로 발생하거나, 모터 케이스의 자연적인 진동과 같이 규칙적으로 발생할 수 있다. 에너지 센서는 에너지 진동을 전기 에너지로 변환하는 압전 소자의 사용과 코일이 자기장을 통과할 때 발생하는 전자기 효과를 포함한다. 또 다른 방법은 정전용량 유도에 기반한 정전기 방법을 사용한다. 압전 및 전자기 방법이 가장 실행 가능한 것으로 보인다.

○ 바람과 물

이 방법은 바람이나 물의 흐름을 전력으로 변환하는 운동 에너지를 사용한다. 두 경우 모두 소형 터빈이 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 크기는 이 하베스팅 방법에서, 그리고 풍력 터빈용 회전 날개의 안전성에서 중요한 고려사항이다. 그러나 하베스팅 되는 에너지는 실제적인 한계에도 불구하고 소형 IoT 센서에 충분하고도 남는다.

○ 열전기

이 방법으로 생성하는 전기 에너지는 제베크 효과의 원리를 사용한다. 이 원리는 반도체 재료의 두 절연판 사이의 온도 차를 사용하여 전기를 만든다. 열전 모듈을 결합하여 IoT 장치의 공간 제약에 따른 온도 차를 최대한 활용할 수 있다. 온도 차가 클수록 더 많은 에너지가 생성된다. 그러나 애플리케이션에 따라 이를 달성하는 데 실질적인 어려움이 있을 수 있다.

○ 무선 주파수

전자기 RF 에너지를 하베스팅 하는 것은 비교적 최근의 개념이다. 무선 데이터와 음성 연결이 이제 어디서나 이루어지고 수많은 지상파 방송 라디오와 텔레비전 방송국이 있으므로 이를 통해 광범위한 라디오 스펙트럼 내에서 에너지를 하베스팅 할 수 있는 기회는 매우 매력적으로 보인다. 사용 가능한 전력은 위치, 주파수 및 적절한 신호에 따라 달라지지만, 전문 반도체 공급업체들이 이미 사용 가능한 IC를 내놓으면서 틈새시장을 공략하고 있다. ISM, Wi-Fi 및 셀룰러 주파수에서 에너지를 하베스팅 하는 데 대한 연구는 유망한 결과를 내놓고 있다.

■ 주변의 에너지 하베스팅 하기

IoT 기반 애플리케이션에 거의 무한한 기회가 존재하므로 신뢰할 수 있는 전원 소스를 제공하는 것이 무엇보다 중요하다.

충전식 배터리를 사용하는 장치에 주변 에너지원에서 에너지를 하베스팅해 보충하는 방식으로 전력을 공급하면 실용적인 해결책이 될 수 있다.

일부 애플리케이션의 경우 배터리를 슈퍼커패시터로 보완하거나 심지어 대체할 수도 있다. 배터리와 결합한 슈퍼커패시터는 무선 데이터 링크 구성과 교환 중에 종종 발생하는 피크 에너지 수요를 만족할 수 있다.

여러 반도체 공급업체들이 이미 고효율 전력 관리 제품군과 함께 태양광, 압전 및 열전대 같은 여러 소스에서 에너지를 하베스팅 하는 데 최적화된 DC/DC 컨버터 IC를 제공하고 있다.

에너지 하베스팅에 대한 자세한 내용은 https://resources.mouser.com/energy-harvesting에서 확인할 수 있다.