[논문 리뷰] Paving the Path to a Green and Self-Powered Internet of Things

Mahyar Shirvanimoghaddam, Kamyar Shirvanimoghaddam외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 100인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 자기주도형 인터넷의 사물(IoT) 장치를 위한 지속 가능한 전원 솔루션으로 진동 기반 피에조전기 수확 기술을 제안한다. 향상된 전기적 특성을 지닌 고급 피에조전기 재료를 활용함으로써, 접근이 어려운 환경에서 장기적이고 유지보수가 필요 없는 작동이 가능해져, 배터리에 의존하는 모델보다 훨씬 오랜 수명을 가지게 된다.

ABSTRACT

Internet of things (IoT) represents one of the biggest technology trends, which transforms every physical object to an information source and revolutionizes the way we interact with our surroundings. It aims to create an ecosystem of connected objects and provide ubiquitous connectivity between trillions of multi-role devices, such as sensors and actuators. Although recent advancements in miniaturization of devices with higher computational capabilities and ultra-low power communication technologies have enabled the vast deployment of sensors and actuators everywhere, such an evolution calls for fundamental changes in hardware design, software, network architecture, data analytic, data storage and power sources. A large portion of IoT devices cannot be powered by batteries only anymore, as they will be installed in hard to reach areas and regular battery replacement and maintenance is infeasible. A viable solution is to use energy harvesting techniques to harvest energy from environment and provide enough energy to the devices to perform their operations. This will significantly increase the device life time and eliminate the need for the battery as an energy source. This survey aims at providing a comprehensive study on energy harvesting techniques as alternative and promising solutions to power IoT devices. We present the main design challenges of IoT devices in terms of energy and power and provide design considerations for a successful implementations of self-powered IoT devices. We then specifically focus on vibration energy harvesting techniques using piezoelectric materials and briefly present a newly developed piezoelectric materials with enhanced electrical properties.

연구 동기 및 목표

• 배터리 교체가 비현실적인 접근이 어려운 위치에 존재하는 수십조 대의 IoT 장치를 구동하는 데 증가하는 도전 과제를 해결한다.
• 기존의 배터리 기반 IoT 시스템의 한계를 극복하여 환경 에너지 수확을 통해 지속 가능한 에너지 공급을 가능하게 한다.
• 피에조전기 재료를 중심으로 한 에너지 수확 기술에 대한 종합적인 분석을 제공한다.
• 자기주도형 IoT 시스템의 하드웨어, 소프트웨어, 네트워크 아키텍처 및 데이터 관리 분야에서의 핵심 설계 과제를 규명한다.
• 에너지 수확 기반 IoT 장치의 실현 가능하고 장기적인 구현을 가능하게 하는 설계 고려사항과 재료 기술의 발전을 제시한다.

제안 방법

• 피에조전기 재료를 활용한 진동 에너지 수확에 특화된 기존 에너지 수확 기술을 조사하였다.
• IoT 장치의 에너지 요구량과 전력 제약 조건을 분석하여 실현 가능한 에너지 수확 솔루션을 규명하였다.
• 기존 피에조전기 재료의 성능을 평가하고, 전기적 특성이 향상된 최신 재료의 발전을 강조하였다.
• 저전력 환경에서의 전력 관리, 데이터 처리 및 네트워크 통신과 같은 시스템 수준의 통합 과제를 논의하였다.
• 에너지 효율성과 시스템 수명 연장에 최적화된 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 위한 설계 지침을 제공하였다.
• 에너지 수확 기술과 초저전력 전자기기 및 통신 프rotocol를 조합하여 자기주도형 IoT 장치를 구현하는 프레임워크를 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기술, 특히 진동 기반 피에조전기 수확 기술은 어떻게 IoT 장치의 장기적이고 배터리 없는 작동을 가능하게 하는가?
• RQ2 자기주도형 IoT 시스템 설계 시 주요 하드웨어, 소프트웨어 및 아키텍처 과제는 무엇인가?
• RQ3 피에조전기 재료의 어떤 재료 기술 발전이 IoT 응용 분야에서 에너지 변환 효율을 크게 향상시키는가?
• RQ4 어떻게 에너지 수확을 IoT 시스템 설계에 통합하여 원거리 또는 접근이 어려운 환경에서 신뢰성 있고 지속 가능한 작동을 보장할 수 있는가?
• RQ5 자기주도형 IoT 구현에서 최적의 에너지 효율성과 시스템 수명 연장을 달성하기 위해 필수적인 설계 고려사항은 무엇인가?

주요 결과

• 진동 기반 피에조전기 수확 기술은 접근이 어려운 위치에 존재하는 IoT 장치를 구동하기 위한 실현 가능하고 지속 가능한 배터리 대체 솔루션을 제공한다.
• 최근 피에조전기 재료의 발전으로 전기적 특성이 향상되어 에너지 변환 효율과 출력 전력이 크게 향상되었다.
• 자기주도형 IoT 장치는 유지보수가 불가능한 환경에서 배터리 교체가 필요 없어지므로 장기적인 작동 수명을 확보할 수 있다.
• 초저전력 전자기기 및 통신 프rotocol와 함께 에너지 수확 기술을 시스템 수준에서 통합함으로써 외부 전원 없이도 안정적이고 지속적인 작동이 가능하다.
• 자기주도형 IoT 생태계의 확장성과 신뢰성을 확보하기 위해 전력 관리, 데이터 처리 및 네트워크 아키텍처 분야의 설계 과제를 해결해야 한다.
• 수십조 대의 IoT 장치를 광범위하고 지속 가능한 방식으로 구현하기 위해서는 에너지 수확 기반 전원 솔루션으로의 전환가 필수적이다.