Siyasal hesaplama cihazları, düşük gecikmeli, bant genişliği tüketimi ile veri için giderek daha fazla ağ kenarında dağıtılır ve akıllı şehirler, endüstriyel otomasyon, otonom araçlar ve sağlık merkezlerinin aksine, fog düğümleri genellikle uzak veya zor erişim sağlayan yerlerde yerleştirilir, ancak elektrik şebekesine erişimin sınırlı veya mevcut olmayan bir şekilde yapılan uygulama için gerçek zamanlı bir çalışma için yetersizdir.Bu nedenle, periyodik değiştirme veya yeniden yükleme sistemleri için yüksek maliyetle ilgili temel bilgileri kapsar.

Sis Hesaplamasında Enerji Üretiminin Rolünü Anlayın

Enerji toplama, aynı zamanda enerji kıvranlığı olarak da adlandırılır, küçük çevre enerjilerini çevreden yakalama ve onu veri kaynağına yakın olarak ağlayabilme sürecidir. Enerji üretimi, cihazlara yalnızca bataryalara veya telli güç bağlantılarına güvenmeksizin çalışabilme imkanı sağlar.

fog hesaplama için temel çevre enerji kaynakları şunlardır:

  • [FONT:0)Solar Radyasyon: [Döntgen: [Döntgen: 0,4] Güneş ışığının fotovoltaik dönüşümü (in kapı/outdoor).
  • [FONT:0] ⁇ Gradients:[[Dönem: [Dönemli: [Düzg: 1) Termoelektrik nesli sıcaklık farklılıklarından.
  • [FONT:0)Mechanical Titreşimler: [Dönetici:[Dönetici: 1) Piezoelektrik, elektromanyetik veya hareket estatik transdüksiyonu.
  • [FONT:0) Radyo Frekansı (RF) Dalgalar: Wi-Fi, hücresel veya yayın kaynaklarından elektromanyetik dalgaların yeniden tanımlanması.

Her kaynak farklı güç kesintileri, kullanılabilirlik modelleri ve operasyonel kısıtlamalar sunar. hasat teknolojisi, depolama elemanı ve güç yönetimi devreleri uzun vadeli enerji tarafsızlığı elde etmek için kritiktir - zaman içinde hasat edilen enerjinin eşit olduğu veya tüketildiği yerde enerji miktarı azalır.

Derinlikte Yaygın Enerji Üretilmesi

Güneş Enerjisi

Güneş enerjisi, açık ağ geçidi için birkaç kare santimetreden fazla standarttır. Ticari silikon hücreleri için kullanılan güneş ışığı, perte ve multi-junction hücreler gibi gelişen teknolojiler laboratuvar koşullarından% 30'a kadar uzanır.

Anahtar tasarım konuları şunlardır:

  • [FONT=0)Maximum Power Point İzleme (MPPT): ), MPPT algoritmaları, PV panelinden farklı irradiance ve sıcaklık altında maksimum gücü çıkarmak için yükleri optimize eder.
  • [FONT:0)Energy Storage:[[Döneticiler yüksek döngü yaşamlarından ve hızlı şarjlarından dolayı kısa vadeli tamponlar tercih edilir, ancak piller bir gecede veya bulutlu dönemlerle birleştirir.
  • [FONT=0)Indoor vs. Outdoor:[Dönetici:[Dönetici:0) Kapalı güneş hasat 10-100 μW /cm2 güçle dibine dayanır; açık hava güneş ışığı 10-100 mW /cm2 sağlar.
  • [FONT:0)Kendi-Temiz ve Durability: Toz, kar ve kuş damlaları büyük ölçüde verimsiz bir şekilde azaltılabilir. Anti-soiling kaplamalar ve periyodik temizlik mekanizmaları (veya minimum bakım için tasarım) uzun vadeli güvenilirlik için önemlidir.

[FONT:0)Example uygulamaları:[Dönetici:[Dönetici: 0,2|) Akıllı sokak ışığı kontrolörleri, uzak alanlarda çevresel izleme istasyonları ve süper kapasiteye sahip küçük güneş panelleri tarafından desteklenen tarım IoT düğümleri.

Termal Enerji Enerjinin Enerjisi

Termoelektrik jeneratörleri (TEGs), Seebeck etkisini, en az 5-10°C'nin kullanışlı bir güç üretmesini sağlar - genellikle 10-100 μW'nin hareketsiz parçalarla sağlam devlet cihazlarıdır, onları endüstriyel ve otomotiv ortamları için son derece güvenilir hale getirirler.

  • [FONT:0)Malzemeler:[Döneticiler:[Döneticiler:[Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: 0:0) Geleneksel biyosmuth Telluride (Bi2Te3 alaşımlar, oda sıcaklığının yakınında% 5–8% 70 oranında efficiency sunar. Araştırmaya skutterler, yarı heusler bileşikleri ve nanoyapıtül malzemeler daha yüksek sıcaklık aralıkları için% 10'in ötesinde efficiliği zorluyor.
  • [FONT:0]Heat Lavabo ve Termal Yönetim: [Dönetici: [Dönetici:0] Büyük bir ısı lavabosu genellikle sıcak yüzeylere bağlı kalın.
  • [FONT=0) Düşük Voltage Startup: TEG'ler küçük 345T'de çok düşük gerilimler üretiyor. ultra-düşük başlangıç gerilimleri ile dönüştürücüler (örneğin, LTC3108, MAX177)

Sıcaklık, özellikle de makinenin atık ısısı ürettiği endüstriyel IoT için iyi bir şekilde uygundur. Örneğin, buhar boru üzerinde akıllı bir valf hareketatörü, borunun yüzey sıcaklığının gradient'nden sürekli güç üretebilir.

Titreşimli Enerji Üreten

Mekanik titreşimler endüstriyel ortamlarda, ulaşım sistemlerinde ve altyapıda bol miktardadır. Üç ana transdüksiyon mekanizması mevcuttur:

  • [FONT:0)Piezoelektrik: [Dönetici: [Dönetici: 0) veya polivinylidene fluoride (PVDF) malzemeler mekanik olarak sustuğunda şarj edilir. Cantilever yapıları baskın vitreo frekansına ayarlandığında (genellikle 50-200 Hz) en üst düzeye çıkar, genellikle 100-1000 μW.
  • [FONT:0]Electromanyatik:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: · 1) Bir tel aracılığıyla hareket eden bir mıknatıs mevcuttu.Bu jeneratörler sağlam ve daha büyük yerindenleri idare edebilir, ancak hassas mekanik tasarım gerektirir ve genellikle kabarıktır.
  • [FONT=0]Electrostatik:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: 0) Değişken kapasitörler hareket nedeniyle kapasite değiştirir ve şarj önceden şarj edilen bir elementten transfer edilir. MEMS-ölge için iyi uygunlar, ancak ilk gerilim kaynağı gerektirir.

Gerçek dünya titreşim spektral nadiren saf sinüsoidal; birden fazla frekans ve intermittent patlamaları içerir. Enerji, şarj pompaları ve geri dönüşümlü bir şarjlı eşleştirme (örneğin, SECE - Synchronous Electric Şarj, SSHI - Synchronized Switching on Inductor) basit retifier ile% 400 oranında verimlilik artırabilir.For fog nodes, and adaptive recovery on return machine or vibration, SECE - Synchronous Electric Charge, SSHI - Synchronized Switching on Inductor.

Radyo Frekansı (RF) Enerjinin

RF enerji hasat, Wi-Fi (2.4/5 GHz), yoğun kentsel ortamlarda veya yakın baz istasyonlarında RF hasat için uygun şekilde iletişim sistemlerinden gelen çevre elektromanyetik dalgalar yakalamakta ve dijital TV (470-800 MHz) Power de genellikle 0.1-10 μW /cm2 aralığında, kaynaktan birkaç metre mesafede, düşük güç sensörleri için uygun RF hasat sensörleri yapmak.

  • [FONT:0)Rectenna Design:[Dönetici:[Dönetici:0) İstenen frekans bandına eş olan bir anten, retifier devresine bağlıdır (tipik olarak Schottky diyot temelli bir gerilim multiplier). Multi-band retennas aynı anda toplam gücü artırmak için birden fazla gruptan hasat edebilir.
  • [FONT:0]State-of-the-Art ICs:[Dönetici: 0,9 dBm veya Analog Cihazlardan P2110 gibi Chips " ADP5091 RF-to-DC dönüşüm ve güç yönetimi, yukarıdaki giriş güçlerine son derece verimli bir şekilde ulaşır -10 dBm.
  • [FONT:0)Dediked vs. Ambient:[Döneticiler) Genellikle operatörler çevrede özel bir RF güç verici dağıtır (örneğin, 915 MHz ISM-band kaynağı) öngörülebilir bir güç tedariki sağlamak için.Kapalı mevcut altyapıdan hasat etmek (Wi-Fi yönlendiricileri) trafik ve kullanıcı konumlarında var olması nedeniyle daha az güvenilirdir.

Pratik kullanım durumu, bina Wi-Fi ağından gelen akıllı bir binada sıcaklık / prestij sensörüdür, her birkaç dakika boyunca piller olmadan veri aktarın.

Design considerations for Energy Harvesting in Fog Nodes

Bir fog cihazı üzerinde enerji hasat sistemi uygulamak, sadece bir jeneratörü yüklemeye bağlamanın bir önemi değildir. Aşağıdaki faktörler sistem tasarımı sırasında dikkatli bir şekilde analiz edilmelidir:

Enerji erişilebilirliği ve profiling

Cihazın nerede çalışacaklarını çevrede düşünün: Güneş ışınlarını ölçmek (veya kapalı ışık yoğunluğu), sıcaklık gradyanları, vibrasyon amplitüdünü ve frekans spektrumu veya RF güç yoğunluklarını kullanmak.Data[Döneticileri veya referans çalışmaları) uzun vadeli bir performans tahmin edebilir.

Power Budget ve Duty Bisiklet

Cihazın ortalama ve üst düzey güç tüketimi için. batarya-işletilmiş fog düğümleri için, algılama, işleme (örneğin, MCU, FPGA), radyo iletimi (e.g., LoRa, BLE, LTE-M), ve standby akımları genellikle enerji tasarrufu için hesap veren bir enerji bütçesi, enerji tedarikini eşleştirmek için bisiklet kullanmak.

Enerji Depolama Entegrasyonu

Depolama değişken enerji tedariki ve nispeten sabit talep arasındaki boşluğu köprüler.

  • [FONT:0) Superkapors: [Dönetici: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: 0,4,4, 10 $) Yüksek güç yoğunluğu, milyonlarca şarj / boş çevrimleri, geniş sıcaklık aralığı. Kısa vadeli tamponlama için uygun (saniyeler için uygun) Leakage akımı uzun süre zor olmayan dönemler için bir sorun olabilir.
  • [FONT=0]Lithium-ion Pilleri: Yüksek enerji yoğunluğu, düşük öz-discharge, ancak sınırlı döngü ömrü (300-1000 döngüleri). Gece veya çok günlük depolama için optimize edildi.
  • [FONT=0]Thin-Film Solid-State Pilleri: Extremely düşük sızıntı (e.g., Cymbet, Sonsuz Power Solutions) ve doğrudan mini sis sensörleri için ideal olabilir.

Hibrit bir topoloji - üst yükler için süper kapasiteye sahip ve buffering, artı derin depolama için ikincil bir batarya - ticari fog cihazlarında yaygındır.

Güç Yönetimi Entegre Devreler (PMICs)

Texas Instruments BQ25570, Linear Technology LTC3106Renes ISL9120, MPPT ve çıkış düzenlemesini içerir. Anahtar metrikler: quiescent current (ideally < 1 μA), soğuk başlangıç gerilimi (pişmanlıkta verimlilik) ve beklenen giriş aralığı boyunca dönüşüm verimliliği.

Enerji-Aware Task Scheduling

Düşük enerji süreleri boyunca kritik olmayan görevler için, enerji miktarı (örneğin, yüksek insolasyon veya vibrasyon) ve düşük enerji süreleri boyunca enerji erişilebilirliğini tahmin etmek için daha fazla kullanılabilir. Enerji-aware işletim sistemleri (örneğin, 0)

Fiziksel Tasarım ve Çevre Koruma

Enktörler hava, toz ve nezden elektronik korumalıdır, enerji transdüserin hava kaynağına erişimine izin verirken (örneğin, güneş panelleri için şeffaf bir kapak, TEG'ler için mekanik darbeler için ısıtılabilir). IP6x-rated

Simetri için Enerjinin Değerlendirilmesi

Onun sözüne rağmen, enerji hasat, ölçekde güvenilir dağıtım için ele alınması gereken birkaç gerçek dünya zorlukunu ortaya koyar:

  • [FONT:0) Yeterlik ve Variability: [Dönetici: Güneş enerjisi gece ve bulut havasında düşer; titreşim yoğunluğu makine çalışmasına bağlıdır; termal gradients dalgalanması sistemler sıfır hasat edilen güç dönemlerine toleranslıdır.
  • [FONT:0]Storage Limitations:[Dönetici:[Dönetici: 0) Piller zaman içinde ve sıcaklık aşırılığı ile birlikte dereceler. Superkapors sızıntı ve daha düşük enerji yoğunluğuna sahip, bir cihazın giriş olmadan ne kadar süre çalıştırabileceğini sınırlandırır.
  • [FONT=0)Cost ve Form Faktörü: [DDDD: 1) Yüksek verimli hasat bileşenleri (özellikle özel transdüserler veya çok fazla seçmeli güneş hücreleri) pahalı ve titiz olabilir, kenar cihazları ile çatışma.
  • [FONT:0]Bitiş-Yaşam ve Bakım: Hasen etkin cihazlar hala sonlu yaşamlara sahip olabilir. Solar paneller topraktan muzdarip olabilir, TEG'ler ısınıyor olabilir ve bataryalar sonunda yedeklenebilir.
  • [FONT:0]Yönerge ve Güvenlik Sorunları: [Dönetici gruplarından RF hasat düzenleyici kısıtlamalara sahip olabilir. Titreşimli hasat makinelerin güvenlik-kırık makinelere monte edilmesi yapısal bütünlüğü tehlikeye atmamalı. Sıcak yüzeylerdeki ısı hasatları güvenlik standartlarına uymalıdır.

Vaka Çalışmaları: Real-World Fog Computing Applications

Akıllı Şehir Aydınlatma

Bir belediye sokak ışığı kontrol cihazı 50 W güneş paneli, süper kapasiteli bir banka ve bir LTE-M modemi gün boyunca, panel kontrol ve süper kapasiteye sahip olan verileri buluta iletmeye çalışır.

Industrial Titreşim İzleme İzleme

Bir pastazoelektrik hasat makinesi, bir üretim robot koluna eklenir. Üretim edilen enerji (ortalama 500 μW) yerel olarak 10 F süper kapasiteli olarak depolanır ve MEMS'in zor endüstriyel ortamdaki batarya takasları için hızlanan bir tasarım.

Uzak Çevre Sensör Ağı

Bir tarım alanında toprak nemi ve hava sıcaklık sensörlerinin bir seti, yakındaki bir 868 MHz vericisinden küçük bir (5 cm × 5 cm) çok kaynak toplayıcı küçük bir güneş hücresini bir araya getirir, aşırı hava ve hava ile ilgili ısı farkı, LoRa ile yakındaki bir fog geçit törenine kadar her 30 dakika rapor edilir.

Sis Bilgisayar için Enerjide Geleceği Trendleri

Çeşitli araştırma ve teknoloji yolları enerji üretimine daha verimli, güvenilir ve fog cihazları için ubiquitous:

Çok fazla Kaynak Hibrit Çiftçiler

Tek bir cihazdaki iki veya daha fazla kaynak kombinasyonu sağlamlığı ve güç yoğunluğunu artırır. Örneğin, bir güneş-termal-vibrasyon tri-harvester, diğer bir kaynak gücü ile bir başka. Systems'in zayıflığını telafi edebilir (tekrarlı giriş kanalları ile) ticari olarak uygulanabilir hale gelir.

Enerji Önlem ve Yönetimi için Yapay Zeka

Makine öğrenme modelleri (örneğin, LSTMs, güçlendirme öğrenme) tarihsel veriler ve hava tahminleri üzerinde eğitilmiştir. Fog düğümleri daha sonra proaktif olarak örnekleme frekansı, bilgisayar yüklerini veya radyo gücünü sürekli çalıştırmayı sağlayabilir. AI tabanlı güç yönetimi, uygulamaları takip eden güneş destekli kameralar için zaten prototiplenmiş durumda.

Gelişmiş malzemeler ve Transducers

Perovskite güneş hücreleri şimdi efficiencies > 25% elde eder ve esnek yüzeyler üzerinde baskılanabilir, küçük ölçeklerde yüksek çıktıya, giyilebilir cihazlar için uygun esnek TEG'ler sağlar.

Vücut ve Biyolojik Kaynaklardan Enerji

Sağlık için fog düğümleri (yeter edilebilir veya implant edilebilir), biyo yakıt hücreleri, glikoz veya söndürücü elektrik haline getirirken, triboelektrik jeneratörleri vücut hareketlerinden enerji alır.Bu kaynaklar hala düşük güç (1-10 μW) ancak geçici algılama ve iletim için uygundur.

Edge AI ve Near-Sensor Processing ile entegrasyon

fog düğümleri yerel olarak makine öğrenimi modellerini çalıştırabilme yeteneğine sahip hale geldikçe, alt-10 mW'de çalışan enerji bütçesi her zaman veri akışını azaltan veri miktarını azaltır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Enerji hasat, düşük enerjili elektronik ve enerji tasarrufuna sahip olmak yerine, sürekli olarak insan müdahalesi ile çalışan sistemler için temel bir yoldur.Bu tür sistemlerin başarısı dikkatli bir şekilde tasarlanmıştır: Çevre profiline uygun şekilde, düşük enerji depolama elektroniklerini ve enerji tasarrufunu kullanarak, daha düşük enerji tasarrufuna sahip olan gerçek dünya sorunlarını tedavi etmek için daha iyi bir şekilde entegre etmek için, daha düşük enerji tasarrufu sağlamak için daha düşük enerji tasarrufu sağlamak.