Nel quadro di proliferazione globale dei dispositivi Internet of Things, l’autonomia energetica dei nodi IoT diventa un elemento prioritario nei requisiti di progetto. Il paradigma emergente si chiama Ambient IoT, e si fonda sulla crescente diffusione di nodi IoT basati su SoC (system-on-chip) ultra-low-power che integrano microcontrollori, moduli di comunicazione wireless e circuiti di energy harvesting in un solo sistema completo, compatto e battery-free
(fonte: Silicon Labs)
Il paradigma Internet of Things (IoT) è sempre più globalmente diffuso, e l’energy harvesting (EH), ossia la raccolta di energia ambientale, si pone come la soluzione per razionalizzare l’alimentazione dei dispositivi IoT che continuano a proliferare. Stando alle previsioni della società di analisi di mercato IoT Analytics, nel 2030 il numero di dispositivi IoT connessi arriverà a 39 miliardi, e a oltre 50 miliardi entro il 2035. A seconda del settore e dell’applicazione aziendale o industriale, le infrastrutture IoT possono arrivare a includere migliaia o decine di migliaia di dispositivi. Quando si giunge a dimensioni simili, implementare device IoT e sensori smart, non solo connessi, ma anche autonomi dal punto di vista energetico, non è più soltanto una caratteristica auspicabile, diventa una necessità prioritaria.
Nelle installazioni con elevato numero di device, non appare infatti logisticamente pensabile, né sostenibile dal punto di vista economico e ambientale, attuare ordinarie operazioni di manutenzione, sostituzione e smaltimento delle batterie esauste di dispositivi e sensori wireless. La strada intrapresa prosegue invece verso lo sviluppo di tecnologie elettroniche sempre più efficienti, in grado di migliorare la durata delle batterie nei device, ma soprattutto di raccogliere e utilizzare l’energia disponibile nell’ambiente.
In particolare, le tecnologie di energy harvesting (EH) hanno l’obiettivo di catturare l’energia dalle fonti esterne ambientali, e poi di convertirla e immagazzinarla per alimentare i dispositivi elettronici. Utilizzando l’energia ambientale, i sensori possono funzionare continuamente senza l’alimentazione fornita dalle batterie, quindi in modalità “batteryless”, e senza manutenzione.
In questi casi si parla di quantità di energia sufficienti ad alimentare, ad esempio, sensori di temperatura o umidità. In effetti, a differenza delle tecnologie di produzione di energia rinnovabile, come i pannelli solari o le pale eoliche, dove i volumi di energia generati possono essere consideravoli, nel dominio tecnologico dell’energy harvesting i chip elettronici EH producono quantità di energia ridottissime, misurabili negli ordini di grandezza dei milliwatt (mW) o dei microwatt (µW). Quantità di energia adatte ad alimentare, storicamente, le classiche reti di sensori wireless (WSN), ma non solo. Oggi l’energy harvesting si presta ad applicazioni anche in ambiti come i sensori RFID (radio frequency identification), i dispositivi indossabili a consumo ultra basso, le etichette intelligenti (smart label) adottate nella logistica, nella gestione delle supply chain, nel settore retail. E poi ci sono appunto gli utilizzi nelle applicazioni Ambient IoT.
(fonte: Silicon Labs)
Energia ambientale: dalla raccolta all’accumulo
Il concetto Ambient IoT è un paradigma architetturale emergente del modello Internet of Things, e punta a realizzare la connessione di miliardi di oggetti smart evitando l’uso di batterie. Con l’obiettivo di affrontare le sfide di implementazione massiva di dispositivi IoT e di espansione del mercato, che implicano la progettazione di tecnologie wireless efficienti dal punto di vista energetico e sostenibili, a partire dal 2024, il consorzio 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ha formalizzato e codificato il concetto di Ambient IoT nelle sue specifiche tecniche.
Con Ambient IoT, in sostanza, si fa riferimento a una classe di dispositivi e sistemi IoT ultra-low-power (ULP), generalmente battery-free, che funzionano sfruttando energia ambientale (luce, radiofrequenza, vibrazioni, calore), comunicano in modo intermittente o opportunistico, e ambiscono a diventare pervasivi e quasi “invisibili” nelle infrastrutture. Invisibili nel senso che, una volta installati, sono capaci di diventare tanto autonomi e privi di necessità di manutenzione che ci si potrebbe quasi dimenticare della loro gestione. Qui gli aggettivi “intermittente” e “opportunistico” si accordano con la specifica modalità di funzionamento dei dispositivi Ambient IoT in relazione alla natura stessa delle fonti energetiche ambientali: queste ultime non hanno un andamento continuo, e pertanto richiedono device con capacità di adattamento dinamico.
Nella fase di cattura, tramite trasduttori, l’energia può essere raccolta da diverse fonti ambientali, come calore, luce, vibrazioni, onde radio, e successivamente convertita in un segnale elettrico proporzionale. L’ultima fase, quella di gestione e accumulo, gioca un ruolo estremamente importante nell’energy harvesting, in quanto le sorgenti di energia ambientali sono intrinsecamente intermittenti e a bassa densità di potenza: esempi di discontinuità e variabilità della sorgente possono essere il moto ondoso, il gradiente termico o la luce solare. Nei dispositivi Ambient IoT le funzionalità di gestione e accumulo dell’energia giocano dunque un ruolo cruciale, perché consentono di stabilizzare, immagazzinare e regolare l’energia raccolta, compensando l’intermittenza delle sorgenti ambientali e garantendo l’operatività del nodo IoT anche in condizioni di disponibilità energetica limitata.
Il system-level design diventa un approccio imperativo
La natura intermittente e discontinua delle fonti energetiche ambientali, e i conseguenti vincoli a cui le applicazioni Ambient IoT sono soggette, implicano necessariamente per l’energy harvesting in questo dominio un approccio di progettazione a livello di sistema (system-level design). In altre parole, non basta migliorare l’architettura e le funzionalità di un singolo blocco, ma occorre adottare metodologie di co-design che coordinino lo sviluppo di componenti hardware, semiconduttori PMIC (power management integrated circuit), protocolli di comunicazione e software di gestione, per consentire al sistema di operare entro budget energetici estremamente bassi e variabili.
In questo complesso contesto tecnologico, le sfide in agenda da affrontare per raggiungere tale obiettivo sono molteplici: si va ad esempio, dalle tecniche di computazione intermittente (intermittent computing) - che consentono a un sistema alimentato in modo intermittente di preservare lo stato computazionale prima di una interruzione di corrente e poi di riprendere l’esecuzione in modo coerente quando l’energia torna disponibile – ai PMIC dotati di funzionalità “zero-power cold start”, ossia in grado di avviarsi autonomamente partendo da uno stato completamente scarico, e utilizzando esclusivamente l’energia fornita dalla sorgente di harvesting, anche a livelli estremamente bassi.
Questi ed altri temi caldi dell’energy harvesting sono attualmente oggetto di analisi e discussione nei convegni di settore, come l’imminente EnerHarv 2026, tra i principali eventi dedicati all’energy harvesting, e in programma a maggio a Madrid, Spagna.
SoC ULP con energy harvesting integrato
A differenza della IoT tradizionale, in cui il funzionamento dei device dipende dalle batterie, con la progressiva affermazione della Ambient IoT i dispositivi IoT vengono alimentati direttamente dalle fonti di energia ambientali, e tale cambio di paradigma comporta una trasformazione architetturale.
Nel giro di pochi anni, l’evoluzione tecnologica nelle soluzioni di energy harvesting ha accelerato la transizione, dai componenti discreti assemblati su PCB (printed circuit board) e dai device EH concepiti come accessori esterni, all’era dei sistemi integrati, in cui i circuiti di energy harvesting tendono ad essere inclusi, assieme alla MCU (microcontroller unit) e al modulo di comunicazione wireless (BLE – Bluetooth Low Energy) sullo stesso system-on-chip (SoC) ultra-low-power.
Tale filosofia di progettazione architetturale, nei SoC ULP di ultima generazione, permette, da un lato, di minimizzare le perdite e migliorare l’efficienza di conversione dell’energia e, dall’altro, di ridurre i costi della distinta base dei componenti (BOM – bill of materials). Inoltre, all’interno del SoC, la MCU è in grado di monitorare lo stato energetico del sistema, e di adattare dinamicamente frequenza, duty cycle e trasmissioni per mantenere un funzionamento energy-neutral.
Tra gli esempi di questi system-on-chip ultra-low-power, si può citare la serie ATM33, che include le soluzioni SoC a consumo ultra-basso ATM3330e, sviluppate dalla californiana Atmosic Technologies. Questi SoC integrano, tra i vari componenti hardware, una radio conforme allo standard Bluetooth 5.3, un processore applicativo Arm Cortex M33F e un sistema di energy harvesting che, oltre a un harvester RF on-chip, supporta la raccolta di energia da fonti fotovoltaiche, termiche e cinetiche. Le applicazioni spaziano dai sensori IoT industriali, alla domotica avanzata, ai dispositivi di monitoraggio per la sanità, ai dispositivi indossabili.
Meno costi di manutenzione e più sostenibilità
Non tutte le applicazioni IoT possono essere adatte e pronte a sfruttare l’energia ambientale, specifica in un report pubblicato a fine 2025 la società di ricerche Transforma Insights, ma un numero crescente di dispositivi si sta avvicinando a questo obiettivo, in particolare quelli che richiedono una potenza molto bassa e trasferiscono dati in modo intermittente. Vari elementi trainano la crescita dei dispositivi di energy harvesting, aggiunge la società, è tra questi vi sono i requisiti di sostenibilità - come il regolamento Ue sulle batterie - i risparmi sui costi di manutenzione, i costi di proprietà inferiori per i dispositivi alimentati con tale modalità, e i progressi nei chip a basso consumo energetico.
Dei benefici sui ridotti costi di manutenzione, conseguibili grazie all’utilizzo di dispositivi batteryless che non presentano costi associati alla logistica di sostituzione e smaltimento delle batterie, si avvantaggiano in particolare alcuni settori industriali. Tra questi le organizzazioni che nelle proprie infrastrutture hanno dispositivi situati in luoghi difficili da raggiungere, o che hanno un numero elevato di device installati per sito, come nel caso delle applicazioni di smart building e degli edifici intelligenti.
In aggiunta, analizza il rapporto, il mercato dell’energy harvesting è stimolato dal miglioramento della tecnologia dei moduli di raccolta: ad esempio, l’energia solare è utilizzata da decenni, ma negli ultimi due anni le celle solari sono diventate più efficienti, in modo da poter produrre tensioni di uscita più elevate per una data intensità luminosa.
Solar harvesting, alimenterà 7 miliardi di device IoT entro il 2030
Tra tutte le tecnologie di energy harvesting identificate da Transforma (EH da energia solare, cinetica, termica, RF), il solar harvesting è quella che presenta il maggiore potenziale per alimentare i dispositivi IoT, seguita dalla raccolta di energia da radiofrequenza (RF energy harvesting - RFEH), dall’energy harvesting di energia cinetica (kinetic energy harvesting – KEH) e poi dall’energy harvesting di energia termica (thermal energy harvesting - TEH).
Entro la fine del 2030, prevede Transforma, il numero di dispositivi connessi all’IoT che potranno essere alimentati attraverso il solar harvesting (tecnologia fotovoltaica) sarà pari a 7 miliardi, ossia circa un quinto del totale dei dispositivi connessi all’IoT nel 2030. In questo stesso anno, circa 3 miliardi di dispositivi potrebbero essere alimentati dall’energy harvesting di radiofrequenza, mentre l’energy harvesting di energia cinetica potrebbe supportare potenzialmente un miliardo di dispositivi IoT.
Il KEH si rivela cruciale per la sua applicazione nei dispositivi indossabili (wearable), negli interruttori autoalimentati, nei sensori di vibrazione industriali e nei dispositivi di micromobilità (monopattini elettrici, e-bikes, ecc.). Transforma esemplifica citando un interruttore autoalimentato come l’interruttore wireless EnOcean, un dispositivo self-powered, compatibile con Zigbee e alimentato da energia cinetica. Sebbene l’energia cinetica abbia il potenziale per generare più energia rispetto all’energia RF, precisa la società, la capacità della tecnologia RF di alimentare le etichette elettroniche per scaffali (ESL), uno dei segmenti più grandi di dispositivi connessi, la posiziona come un metodo di raccolta di energia con un potenziale maggiore in termini di volume di implementazione potenziale.
L’energia termica ha invece un potenziale meno significativo rispetto ad altre fonti, con 84 milioni di dispositivi connessi nel 2030. Può tuttavia giocare un ruolo rilvante in applicazioni nei dispositivi di monitoraggio sanitario e nei wearable device. Alcuni esempi commerciali, menzionati nel rapporto, di di dispositivi indossabili che utilizzano la tecnologia termica, sono i primi prototipi di Matrix Industries (PowerWatch), in cui il calore corporeo è sfruttato come fonte di energia supplementare.
In termini di applicazioni, le cinque principali applicazioni IoT per ciascuna delle fonti energetiche analizzate (solare, cinetica, termica, RF) rappresentano il 70-90% del totale dei dispositivi IoT connessi alimentati tramite energy harvesting. Prendendo ad esempio l’energia RF, le prime cinque applicazioni - gestione e monitoraggio dell’inventario (inventory management & monitoring), automazione degli edifici (building automation), tracciabilità e rintracciabilità (track & trace), sicurezza degli edifici (building safety & security), illuminazione degli edifici (building lighting) - rappresentano da sole il 92% di tutti i dispositivi connessi all’IoT che possono essere alimentati tramite la radiofrequenza ambientale. Nel settore inventory management & monitoring, l’applicazione prevalente sono le etichette elettroniche per scaffali, mentre nell’ambito building automation si parla, ad esempio, di sensori di rilevamento della presenza di persone (occupancy sensors) o di sensori di monitoraggio della qualità dell’aria interna.
Oltre a EnOcean, tra gli attori principali del comparto il rapporto di Transforma menziona società come Atmosic Technologies, Dracula Technologies, Ebelong, E-Peas, Exeger, HaiLa, Linptech, Minew, Nexperia, Powercast, Wiliot.
