Reduzindo a dependência da energia da bateria na casa conectada

Energia. Todas as inovações eletrônicas que usamos todos os dias seriam pedaços inúteis de silício, plástico e metal sem ela. As recentes inovações em torno da Internet das Coisas não são exceção. Cada dispositivo conectado, seja um monitor de aptidão em um pulso, uma fechadura eletrônica conectada ou um sensor ultrassônico em um pedaço de máquina industrial depende de energia para funcionar e se conectar ao resto do mundo. À medida que a IoT se torna mais difundida em nossas vidas, o gerenciamento de energia e a entrega se tornam cada vez mais um desafio. É certo que houve grandes avanços na criação de microprocessadores que bebem energia e componentes que usam energia medida em microwatts, mas ainda precisam de energia. Os modos de repouso são regularmente habilitados em dispositivos IoT para desligá-los para que eles consumam quantidades pouco mensuradas de energia, mas eles ainda precisam de energia.  

Apesar de todos os avanços tecnológicos dos últimos tempos, ninguém desenvolveu uma fonte de energia perpétua, então a entrega de energia está perto do topo dos desafios dos designers. Em alguns casos em que uma conveniente fonte de energia externa está prontamente disponível, como em máquinas industriais, equipamentos de processamento ou mesmo detectores de fumaça em casas mais novas, isso significa simplesmente ligar o dispositivo para a fonte de energia usando qualquer infinidade de opções de conectores separáveis ou pressionar o fio de conexão rápida em terminações. Em casos em que uma fonte de energia não está disponível, o designer é praticamente relegado ao uso de baterias para energia ou utilização de dispositivos de captação de energia, como células fotovoltaicas ou microgeradores eletrocinéticos.  

As baterias ainda são o padrão de energia de fato para a maioria dos dispositivos eletrônicos sem fio. Esses dispositivos movidos a bateria estão agora difundidos em nossas vidas e continuarão a se expandir à medida que os dispositivos conectados aumentam sua presença em nosso dia-a-dia. Os desafios que um designer de produtos enfrenta também crescerão da mesma forma. O designer precisa equilibrar o tamanho da bateria ou das baterias com a energia que deve fornecer e sua vida útil antecipada. Esta não é uma tarefa fácil ou trivial, mas fornece ao designer de IoT uma fonte estável e fixa de fator de forma de energia e uma ampla gama de diferentes tamanhos e opções de integração. Sua disponibilidade global e tamanhos padrão significam que quase todos os consumidores estão muito familiarizados em usá-los e substituí-los, seja uma pequena célula de moeda LR1154 ou bateria cilíndrica AA (IEC R6). Independente de qual bateria seja selecionada, o designer tem uma série de opções diferentes de conectores disponíveis para simplificar a montagem, o comissionamento e posterior substituição da bateria.

Dê uma olhada em todos os dispositivos em uma casa típica e você pode ver como a energia da bateria se tornou generalizada. Em aplicativos como nossos celulares, nos acostumamos a conectar nossos telefones no final do dia para manter as baterias recarregáveis completas. Não podemos imaginar uma televisão sem um controle remoto alimentado por algumas baterias AA descartáveis. Tudo, desde nossas lanternas até controladores de jogos, dependem das baterias para funcionar. Dispositivos críticos de vida, como detectores de fumaça, nos mantêm seguros em nossas casas e nos lembram de uma bateria falhando por um irritante "ruído" que nos força a substituir a bateria. No final, o que isso significa é que para alimentar todos esses dispositivos, cada casa tem um estoque de baterias de substituição armazenadas em algum lugar, para nunca serem encontradas quando são realmente necessárias. A menos que novas ideias sobre a energia do dispositivo sejam amplamente adotadas ou desenvolvidas, o surgimento de dispositivos de automação residencial aumentará drasticamente assim como o número de baterias necessárias na casa conectada.

A maioria dos novos dispositivos são sem fio.  Estes vão desde o pequeno sensor de ocupação pendurado em uma parede até interruptores sem fio e chave fobs até fechaduras eletrônicas de porta. Em algumas aplicações, como interruptores e chave fobs, a vida útil da bateria é bastante impressionante muitas vezes atingindo 5 anos ou mais em baterias de células de moeda baseadas em lítio. Em outras aplicações que utilizam alta corrente, como fechaduras eletrônicas de portas e válvulas remotas, a duração prática da bateria é medida em meses e não em anos. Por razões práticas e estéticas, essas últimas aplicações limitam os tipos e a quantidade de baterias que podem ser utilizadas. No caso da fechaduras, ninguém compraria nem ficaria feliz com uma fechadura de porta que leva quatro baterias tamanho D (LR20) para proporcionar uma vida útil de cinco anos para que o designer precise equilibrar os aspectos práticos do design com uma vida útil aceitável da bateria. O compromisso normalmente significa um pacote de quatro a oito baterias AA para alimentar a trava por até um ano até que precisem de substituição. A maioria dos proprietários provavelmente não reclamará muito sobre a substituição de baterias de fechadura de porta uma vez por ano – embora, em alguns casos, chegar às baterias muitas vezes envolve alguma desmontagem da fechadura. Os proprietários já estão acostumados a substituir as baterias em seus detectores de fumaça anualmente, então não é grande coisa substituir mais alguns em fechaduras de porta, certo? Bem, talvez haja mais nisso. E se o proprietário não for um único proprietário de casa, mas um gerente de apartamentos com centenas de unidades ou um gerente de instalações para um campus universitário com milhares de dormitórios com fechaduras eletrônicas? De repente, a simples questão de substituir as baterias em uma fechadura de porta torna-se uma tarefa muito assustadora, cara e trabalhosa.

Continuar com o tema das fechaduras eletrônicas das portas, eliminar ou minimizar o tamanho e o número das baterias pode ter efeitos de alcance amplos. De repente, o tamanho da fechadura pode ser significativamente reduzido, uma vez que o cadeado não precisa mais acomodar uma bateria volumosa e resultando em um design muito mais estético. Em um complexo de apartamentos de 1000 unidades com fechaduras eletrônicas e um ciclo de substituição de um ano, o custo de dez anos de propriedade dessas fechaduras eletrônicas se aproxima de 50.000 mil dólares, portanto, há um potencial significativo de redução de custos para uma solução para substituir as baterias nessas fechaduras. O desafio está na natureza das fechaduras eletrônicas das portas. Os circuitos eletrônicos podem ser feitos para consumir energia de forma semelhante aos principais fobs ou módulos de sensores encontrados nas casas. São os pequenos motores ou solenoides usados para ativar as fechaduras que desenham corrente significativa durante a ativação e resultam no maior dreno das baterias.

Usar técnicas de energia sem fio para energizar uma fechadura elétrica faz sentido não apenas do ponto de vista do custo do ciclo de vida, mas provavelmente o mais importante, de um ponto de vista ecológico também. Usando estatísticas da indústria na base de bloqueio eletrônico instalado global e esperando um crescimento nos próximos dez anos, alguns números surpreendentes vêm à tona. Dada a necessidade de substituir 4 baterias em cada fechadura a cada ano, isso resultará em mais de 1,1 bilhão de libras de baterias AA depositadas em aterros sanitários nos próximos dez anos. Este é o peso combinado de cinco porta-aviões da classe Nimitz dos EUA ou 287.500 automóveis de tamanho real. Não há discordância de que se trata de uma quantidade impressionante e, quando combinada com o impacto ecológico da fabricação dessas baterias, torna-se uma preocupação ecológica significativa. Ao adicionar energia sem fio nas fechaduras das portas, a necessidade de usar até mesmo uma pequena quantidade de baterias descartáveis é eliminada e poderia fornecer vantagens econômicas e ecológicas significativas. À medida que continuamos no caminho para casas e edifícios mais automatizados, os projetistas de dispositivos conectados para a casa precisam considerar todas as opções disponíveis para energia, que podem não ser necessariamente as mais convenientes para projetar. Os designers precisam considerar cuidadosamente opções alternativas de energia, no início de seu processo de design, antes de padrão para baterias. O resultado, para todos nós, serão produtos mais bem projetados, com ciclos de vida mais longos, que são mais fáceis e econômicos de manter, ao mesmo tempo em que aumentam o nível de conveniência que foram desenvolvidos para fornecer. Afinal, nenhum de nós quer um cargueiro no valor de baterias descartáveis despejadas em nossos quintais.