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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1637 (2023) Citar este artigo

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1 Altmétrico

Detalhes das métricas

Nos últimos anos, a pesquisa sobre transdutores e arquiteturas de sistemas para dispositivos com alimentação própria ganhou atenção pelo seu impacto direto na Internet das Coisas em termos de custo, consumo de energia e impacto ambiental. O conceito de um nó sensor sem fio que utiliza um único gerador termoelétrico como fonte de energia e como sensor de gradiente de temperatura de forma eficiente e controlada é investigado. O objetivo do dispositivo é coletar dados de gradiente de temperatura em data centers para permitir a aplicação de algoritmos de gerenciamento de carga de servidor com reconhecimento térmico. Ao usar um algoritmo de rastreamento de ponto de potência máxima, o ponto operacional do gerador termoelétrico é mantido sob controle enquanto usa sua função de transferência de potência-temperatura para medir o gradiente de temperatura. Desta forma, consegue-se uma medição mais precisa do gradiente de temperatura, ao mesmo tempo que se obtém energia com a máxima eficiência. Os resultados mostram a operação do sistema através de suas diferentes fases, bem como demonstram sua capacidade de coletar energia de forma eficiente a partir de um gradiente de temperatura durante a medição. Com esta arquitetura de sistema, gradientes de temperatura podem ser medidos com um erro máximo de 0,14 \(^{\circ }\)C e uma eficiência de mais de 92% para valores acima de 13 \(^{\circ }\)C e um único transdutor.

Fenômenos como a internet das coisas (IoT)1 ou redes de sensores sem fio (RSSF)2 contemplam a instalação de uma série de sensores que variam de várias centenas até milhares2. Nestas redes, o interesse reside em alimentar os diferentes nós sensores de forma autónoma. A solução mais direta e ampla é o uso de baterias. Mas isto tem duas desvantagens principais: (1) um aumento no custo de operação e manutenção do nó, e (2) um impacto ambiental significativo cada vez que uma bateria é descartada. Isto, multiplicado por centenas de nós sensores, torna questionável a sustentabilidade a longo prazo da rede. Portanto, alimentar o nó localmente por meio da coleta de energia, permitindo a Internet de coisas sem bateria (IoBT)3, é uma alternativa melhor. Para garantir a viabilidade energética desses dispositivos, duas formas são utilizadas no nó: (1) reduzir o número de componentes e (2) reduzir a computação. A primeira estratégia é clara: reduzir o número de componentes a utilizar significa menos componentes a alimentar e, portanto, menos consumo4. A segunda estratégia consiste em reduzir a computação no nó5. Porém, reduzir a computação no nó para possibilitar sua autoalimentação não resolve o problema, mas sim o desloca para outro local. Neste caso, é transferido para data centers.

Vêem a sua atividade aumentada devido a um volume cada vez maior de dados a serem armazenados e a uma atividade computacional cada vez maior para processar esta enorme quantidade de dados que levam a uma necessidade energética esperada de até 1287 TWh em 20306. O objetivo nestes centros é reduzir o custo energético do seu resfriamento ou, em outras palavras, reduzir a eficácia do uso de energia (PUE). PUE é um padrão para medir a eficiência do uso de energia em data centers definido pela The Green Grid7 e é definido como:

Num cenário ideal, o PUE seria 1 e toda a energia utilizada nos data centers seria utilizada exclusivamente para alimentar os servidores. No entanto, este não é o caso e energia adicional é necessária para alimentar sistemas como resfriamento, monitoramento, iluminação, etc. Por exemplo, os data centers do Google têm uma PUE dos últimos 12 meses de 1,11 em 20208, a Microsoft uma PUE de 1,125 em 20159 , Amazon, uma PUE de 1,2 relatada em 201410, e uma pesquisa em 2019 revelou que uma PUE média para as outras empresas de 1,6711. Com o objetivo de melhorar a PUE atual em data centers, este artigo apresenta um nó sensor sem fio que utiliza um gerador termoelétrico (TEG) para coletar a energia liberada na forma de calor por uma unidade microcontroladora (MCU) em um data center. Simultaneamente, utilizando o mesmo TEG, monitora o gradiente de temperatura entre o MCU e seu ambiente. Isso permite o monitoramento da temperatura ambiente no data center com uma granularidade fina que permite a implementação de algoritmos de gerenciamento de carga do servidor com reconhecimento térmico12. A implantação de uma rede de sensores sem fio sem bateria e a implementação de algoritmos de gerenciamento de carga de servidor com reconhecimento térmico são dois caminhos que permitem melhorar o PUE. Os dados são enviados sem fio com LoRaWAN enquanto a energia é extraída do TEG de forma eficiente usando um algoritmo de rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT).