Παθητικοί ασύρματοι αισθητήρες ραδιοσυχνοτήτων

Abstract

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός παθητικού ασύρματου αισθητήρα. Το συστήμα συλλέγει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF energy harvesting) στο μακρυνό πεδίο κεραίας και εκτελεί μέτρηση αισθητήρων και αποστολή των μετρήσεων σε σταθμό βάσης. Σημαντική παράμετρος της σχεδίασης είναι η ενσωμάτωση μικροελεγκτή ως πυρήνα του παθητικού κόμβου. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα το σύστημα να λειτουργεί ικανοποιητικά κοντά σε μεταλλικές επιφάνειες και τη γείωση. H διατριβή απαρτίζεται από έξι κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 αναλύεται η αναγκαιότητα υιοθέτησης ασύρματων τεχνολογιών σε δίκτυα αισθητήρων και η δυνατότητα χρήσης μεθόδων συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον ως εναλλακτική των μπαταριών. Το Κεφάλαιο 2 περιλαμβάνει τη θεωρητική περιγραφή των μεθόδων συγκομιδής RF ενέργειας και αντίστοιχων συστημάτων που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Γίνεται διάκριση ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη συγκομιδή ενέργειας σε συστήματα που λειτουργούν στο εγγύς και στο μακρυνό πεδίο κεραίας. Η σχεδίαση της αρχιτεκτονικής του αυτόνομου ενεργειακά κόμβου, που προτάθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, καθώς και η στρατηγική λειτουργίας του σε κύκλους αναλύονται στο Κεφάλαιο 3. Το τρίτο κεφάλαιο περιλαμβάνει επίσης την παρουσίαση της μεθόδου μέτρησης χωρητικών αισθητήρων, του αλγορίθμου του μικροελεγκτή του κόμβου, καθώς και της τεχνικής μετάδοσης πληροφορίας προς το σταθμό βάσης. Την σχεδίαση του συστήματος ακολούθησε η υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση πρωτοτύπων με κεντρική συχνότητα λειτουργίας τα 430 MHz (Κεφάλαιο 4). Αξιολογήθηκε η ικανότητα του συστήματος να συλλέγει ενέργεια RF, να εκτελεί μέτρηση και να μεταδίδει δεδομένα σε σταθμό βάσης. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επανασχεδίαση του τμήματος συγκομιδής ενέργειας ώστε να λειτουργεί σε συχνότητα 2.5 GHz με αλλαγές που αφορούν κύρια την κεραία του, το αναλογικό τμήμα συγκομιδής ενέργειας και το κύκλωμα μετάδοσης πληροφορίας στο σταθμό βάσης. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο (Συμπεράσματα) συνοψίζονται τα κυριότερα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής καθώς και οι κατευθύνσεις μιας πιθανής συνέχειας της εργασίας πάνω στο θέμα, ενώ στο παράρτημα παραθέτονται τα σχηματικά διαγράμματα των πρωτυτύπων που υλοποιήθηκαν.

The scope of this thesis is the development of a passive wireless sensor tag. The device harvests RF energy in the far field of an antenna and performs sensor measurement and data transmission to a base station. The adoptation of a microcontroller that supervises the tag has been a key selection during development. The tag has the capability to operate even when it is in close proximity to metal or ground surfaces. This thesis is organized in six chapters. The need to develop wireless sensor networks as well as the potential of using energy harvesting techniques as an alternative to batteries are discussed in detail in Chapter 1. Principles of RF energy harvesting techniques and the characteristics of RF energy harvesting systems presented in the literature are summarized in Chapter 2. RF harvesters architectures are categorized depending on whether they operate in the near or the far field of a base station antenna. The development of the passive sensor tag architecture proposed in this thesis and the energy accumulation scheme adopted are explained in Chapter 3. In addition, sensor measurement and data transmission methods as well as the algorithm of the supervisor microcontroller are also discussed in Chapter 3. Tag prototypes operating in the 430 MHz band were assembled in order to evaluate the architecture proposed herein (Chapter 4). Measurements were carried out to test system performance concerning energy accumulation, sensor measurement and data transmission to the base station. The evaluation of the architecture of the 430 MHz band tag was followed by the redesign of the power harvester in order to achieve operation in the 2.5 GHz band. The antenna of the system as well as, the analog circuitry of the energy harvesting unit and data transmission scheme had to be modified in order to allow operation in the 2.5 GHz band. Results are presented in Chapter 5. Finally, results and perspectives of this work are summarized in Chapter 6 (Results). Schematics of the prototypes developed can be found in Appendix I.