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Internet of Things: Herausforderung Energie-Effizienz

Im Internet der Dinge wird überwiegend drahtlos statt über Kabel kommuniziert. Die meisten Geräte sind nicht mit dem Stromnetz verbunden, sondern beziehen ihre Energie aus Akkus oder Batterien. Was bedeutet das für die Hersteller neuer Produkte?

Energie-Effizienz im IoT_Detailansicht Bildquelle: © Fujitsu

Das Internet der Dinge wächst ständig. Einer Schätzung des Analystenhauses Gartner zufolge waren 6,4 Mrd. vernetzte Geräte im Jahr 2016 im Einsatz. Bis 2020 soll ihre Zahl auf 20,8 Mrd. ansteigen. Allein für 2016 gehen die Analysten von einem Wachstum von 5,5 Mio. Geräten pro Tag aus. Nur wenige davon sind allerdings verkabelt: Die Besonderheiten der Applikationen oder abseitige Installationsorte machen das oft unmöglich; mitunter ist es aber auch schlicht wirtschaftlich nicht sinnvoll, die Geräte über kilometerlange Leitungen an das Netz anzuschließen. Die Kommunikation erfolgt stattdessen oft über Funk. GSM-Module erfreuen sich im Internet der Dinge großer Beliebtheit – trotz der Kapazitätsgrenzen dieser Technologie. Anwendungen, die kurzer Latenzzeiten und hoher Datenraten bedürfen, werden künftig auf den Standards der fünften Generation des Mobilfunks (5G) basieren, zum Beispiel auf NarrowBand IoT (NB-IoT).

Wie alle anderen Bauteile auch müssen die Funkmodule möglichst stromsparend arbeiten, um sich für den Einsatz in IoT-Geräten zu qualifizieren. Denn durch den Verzicht auf Kabel sind die Applikationen vollständig auf Batterien und Akkus angewiesen – oder auf Energy Harvesting, also die Gewinnung von elektrischer Energie aus Quellen wie Luftströmungen, Umgebungstemperatur oder Vibrationen. All diese Technologien weisen starke Limitierungen auf: Durch Energy Harvesting lassen sich nur relativ kleine Leistungen erzeugen. Bei Batterien und Akkus steigen die Wartungskosten, je öfter sie ausgetauscht oder an die Ladestation angeschlossen werden müssen. Energie ist im Internet der Dinge somit ein wertvolles Gut – und bei vielen neuen Anwendungen der limitierende Faktor.

Wie müssen Anwendungen aussehen, die besonders energiesparend sein sollen? Die Analyse der Stromaufnahme in einem CMOS-IC ergibt einen Spannungsbereich zwischen 0,4 und 0,5 V, um ein Höchstmaß an Energie-Effizienz sicherzustellen. Die Rede ist hier vom Near- beziehungsweise Sub-Threshold-Bereich.