[논문 리뷰] Towards a Green and Self-Powered Internet of Things Using Piezoelectric Energy Harvesting

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

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 인터넷의 사물(IoT) 기기, 특히 접근이 어려운 또는 유지보수가 필요한 환경에서 지속 가능하고 자기 구동형 솔루션으로 압전 에너지 수확을 제안한다. 주변 기계적 진동을 전기 에너지로 변환함으로써 압전 수확 장치는 장기적인 배터리 없는 작동을 가능하게 하여 기기 수명을 크게 연장하고, 헬스케어, 산업 모니터링 및 스마트 인프라 분야에서 녹색이고 확장 가능한 IoT 구현을 지원한다.

ABSTRACT

Internet of things (IoT) is a revolutionizing technology which aims to create an ecosystem of connected objects and embedded devices and provide ubiquitous connectivity between trillions of not only smart devices but also simple 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 are infeasible. A viable solution is to scavenge and harvest energy from environment and then 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 piezoelectric energy harvesting and RF energy harvesting as most promising solutions to power IoT devices and present the main challenges and research directions. We also shed light on the security challenges of energy harvesting enabled IoT systems and green big data.

연구 동기 및 목표

• 배터리 교체가 비현실적인 접근이 어려운 또는 대규모 배포에서 수십억 개의 저전력 IoT 기기를 구동하는 데 있어 핵심 과제를 해결한다.
• 기존 배터리의 대안으로서 장기적인 IoT 운영을 위한 실현 가능하고 지속 가능한 에너지 수확 기술, 특히 압전 및 RF 수확 기술을 규명한다.
• 압전 에너지 수확을 활용한 자기 구동 IoT 시스템을 구현할 때 발생하는 설계, 기술적 및 보안 과제를 분석한다.
• 압전 재료의 신뢰성과 에너지 출력 특성 덕분에 구조물 건강 모니터링 및 웨어러블 헬스케어 기기에서의 잠재력을 부각한다.
• IoT 생태계에서의 확장성, 효율성 및 실세계 구현을 중심으로 에너지 수확 기술에 대한 종합적 설문 조사 제공

제안 방법

• 2025년까지 약 500억 개의 IoT 기기가 예측되는 바, 대규모 배포에서 지속 가능한 전원 솔루션의 필요성을 강조한다.
• 다양한 에너지 수확 기술을 평가하였으며, 특히 압전 및 RF 수확 기술이 주요 후보로 부각됨을 깊이 분석하였다.
• 압전 효과의 물리학을 논의함: PZT 및 PVDF와 같은 재료에서 기계적 응력이 전하를 생성함으로써 주변 진동에서 전기 에너지로의 변환을 가능하게 한다.
• 임피던스 매칭, 파wr 관리 회로, 간헐적인 수확에 적합한 에너지 저장 장치를 포함한 시스템 수준 통합 과제를 검토하였다.
• 압전 수확 장치가 배터리를 대체하는 실제 응용 분야인 구조물 건강 모니터링, 웨어러블 센서 및 산업용 센서를 분석하였다.
• 시장 동향과 주요 플레이어를 논의하였으며, 2018년 $145M에서 2022년 $667M로 증가할 것으로 예측됨을 언급하여 산업적 수용 가능성이 높음을 시사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압전 에너지 수확은 접근이 어려운 또는 대규모 환경에서 IoT 기기의 장기적이고 배터리 없는 작동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ2 저전력 IoT 시스템에 압전 수확 장치를 통합할 때 발생하는 주요 기술적 및 설계 과제는 무엇인가?
• RQ3 IoT 응용 분야에서 효율성, 신뢰성 및 확장성 측면에서 압전 에너지 수확은 다른 에너지 수확 방법(예: RF, 태양광)과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 산업, 헬스케어 및 스마트 인fra 구조 환경에서 압전 에너지 수확의 주요 응용 및 시장 추진력은 무엇인가?
• RQ5 에너지 수확은 녹색 빅데이터 시스템에서 IoT 보안 및 데이터 관리에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 압전 에너지 수확은 단위 부피당 높은 출력을 제공하는 신뢰할 수 있는 솔루션으로, 유지보수가 필요 없는 장기적인 IoT 구현에 이상적이다.
• 압전 에너지 수확 시장은 2018년 $145M에서 2022년 $667M로 성장할 것으로 예측되어 산업 및 상업적 성장 가능성이 높음을 시사한다.
• 교량, 건물 및 항공기와 같은 구조물 건강 모니터링 시스템은 주변 진동을 전기로 변환하는 압전 수확 장치를 통해 무한정으로 구동될 수 있다.
• 웨어러블 및 이식 가능한 의료 기기들은 압전 에너지 수확을 통해 배터리 교체를 제거하고 환자 편안함을 향상시킬 수 있다.
• 석유 및 가스 산업 및 원격 감지 분야의 산업 응용 분야에서 압전 수확 장치는 와이어드 전원 인프라에 비해 비용 효율적인 대안을 제공한다.
• 진전에도 불구하고 LPWAN 기반 IoT 기기의 높은 전송 전력으로 인해 배터리 사용은 여전히 필수적이지만, 에너지 수확을 통해 재충전을 통해 배터리 수명을 크게 연장할 수 있다.