Oggi sempre più oggetti e sistemi sono collegati tra loro in modalità wireless con l'aiuto di sensori intelligenti. Mentre la rete Internet delle Cose continua a espandersi, l'assorbimento di energia cresce di pari passo.

Per affrontare questo problema, il progetto ZEPOWEL lighthouse dell'Istituto di ricerca Fraunhofer ha promosso lo sviluppo di soluzioni hardware che non solo rendano i sensori efficienti dal punto di vista energetico, ma addirittura permettano loro di funzionare a consumo zero.

Come punto di partenza, il progetto si sta concentrando su due tipi di nodi sensore - uno per controllare le macchine e uno per misurare la qualità dell'aria in città.

Che si tratti di proteggere le case dai ladri o di superivisionare le macchine in una fabbrica, l'utilizzo dei sensori per il monitoraggio e il controllo è in aumento. Ci sono sensori che segnalano quando una finestra viene aperta improvvisamente e sensori che registrano quando una macchina è al minimo e spreca energia - per citare solo un paio di esempi.

Con l'aiuto di un microcontrollore, questi piccoli dispositivi analizzano la situazione in modo da poter poi emettere un segnale di avviso o di allarme attraverso un'unità wireless e ricevere istruzioni.

Alla luce del crescente numero di questi dispositivi - noti come nodi sensore - si usa da molti anni il termine "Internet of Things" (IoT): una rete che vedrà un futuro in cui molti milioni di dispositivi collegati via Internet saranno utilizzati sia nelle nostre case che in molteplici applicazioni industriali.

Il gran numero di nodi sensori che sono stati finora installata sta già consumando enormi quantità di energia. In questo contesto, otto istituti Fraunhofer si sono uniti qualche tempo fa per formare il progetto Fraunhofer ZEPOWEL lighthuose, con l'obiettivo di sviluppare nodi sensore ad alta efficienza energetica.

I primi risultati di questo progetto di ricerca sino due soluzioni che permettono di affrontare la sfida del consumo energetico da due prospettive diverse. Una di queste riguarda un nodo sensore autosufficiente che si rifornisce di energia dall'ambiente circostante e raccoglie dati ambientali, ad esempio, sulla qualità dell'aria. L'altra riguarda un nodo sensore che registra lo stato di funzionamento di macchine, motori o pompe al fine di ridurre drasticamente il loro consumo energetico.

"L'hardware del nodo del sensore che abbiamo sviluppato nel progetto si distingue perché può essere costruito in modo modulare da vari blocchi, permettendo di essere adattato a una serie di applicazioni", spiega Erik Jung, membro del team del progetto presso l'Istituto Fraunhofer per l'affidabilità e la microintegrazione IZM - l'istituto che ha messo insieme i singoli sviluppi degli istituti partecipanti per creare un insieme funzionale.

"Un certo numero di partner hanno contribuito con le loro intuizioni su come creare chip efficienti ed elettronica di controllo, mentre altri hanno offerto la loro esperienza sulla costruzione di batterie e convertitori di energia piccoli ed efficienti, e su protocolli wireless sicuri".

Una caratteristica significativa del nodo sensore autosufficiente, noto come "nodo smart city", è che passa in una modalità di sonno profondo ad alto risparmio energetico quando non è necessario che rimanga in attività. In questo stato, consuma solo pochi nanowatt.

Si accende solo quando viene attivato in modalità wireless - in modo che possa misurare il particolato e trasmettere le misurazioni utilizzando la tecnologia wireless, per esempio.

Il nodo smart city è destinato ad essere installato in auto e autobus nei prossimi mesi. Sfruttando un convertitore di energia, ottiene l'energia necessaria al suo funzionamento dalle vibrazioni che subisce durante i viaggi.

"Questi nodi sensore sono piccoli e convenienti, non richiedono manutenzione e possono essere utilizzati in molti luoghi, rendendo possibile la creazione di una rete di misura altamente integrata", afferma Erik Jung. In futuro, sensori come questi potrebbero anche essere impiegati in applicazioni agricole per misurare l'umidità del suolo e il contenuto di nutrienti in siti specifici con un alto livello di precisione, consentendo agli agricoltori di irrigare e fertilizzare i loro terreni in modo più mirato. Questa agricoltura di precisione basata sui sensori sta prendendo piede, aggiunge Jung.