Publication
Desenvolvimento de dispositivos de rocolha de energia electromagnética integrados em vestuário e aplicados a redes sem fios de área corporal
| dc.contributor.advisor | Velez, Fernando José da Silva | |
| dc.contributor.author | Saraiva, Henrique Morais | |
| dc.date.accessioned | 2014-06-24T20:24:36Z | |
| dc.date.available | 2014-06-24T20:24:36Z | |
| dc.date.issued | 2013-10 | |
| dc.description.abstract | As Redes de Sensores Sem Fios (RSSF), constituídas por nós sensores que cooperam entre si, constituem claramente um elemento fundamental dos ambientes inteligentes, espaços físicos povoados por sensores, actuadores, sistemas embutidos e dispositivos de comunicação. As Redes sem Fios de Área Corporal (Wireless Body Area Network, WBAN) são uma classe de RSSF onde os nós sensores são, normalmente, utilizados junto ao corpo humano como, por exemplo, em vestuário. Nas RSSF a e ficiência energética e o armazenamento de energia são de primordial importância. É neste sentido, que a recolha de energia electromagnética a partir de várias fontes de radiofrequência (RF) do ambiente tem um enorme potencial de desenvolvimento. Nesta dissertação, o principal objectivo consistiu em desenvolver protótipos de recolha de energia electromagnética para nós sensores sem os de área corporal não intrusivos. Para este m, foram desenvolvidos circuitos, baseados no multiplicador de tensão de Dickson, que conseguem converter a energia das ondas electromagnéticas em corrente contínua (DC) e, ao mesmo tempo, aumentar a amplitude do sinal de saída relativamente ao sinal de entrada. Foram desenvolvidos três protótipos (1, 2 e 3), constituídos por díodos de Schottky e condensadores, o último dos quais com uma malha de adaptação de impedâncias (entre a antena e o circuito) do tipo single stub em circuito aberto. Paralelamente, foi feita uma análise e avaliação das vantagens potenciais da utilização de um sistema de armazenamento de energia híbrido, constituído por um supercondensador e uma bateria, e participou-se na concepção de antenas têxteis que serviram como elemento de entrada dos circuitos de recolha de energia electromagnética. Através de medições das oportunidades espectrais presentes na Covilhã e em Lisboa, constatou-se que as bandas GSM900 e GSM1800 são das mais promissoras para a recolha de energia electromagnética. Assim, foram desenvolvidas duas antenas têxteis, uma a operar apenas na banda GSM900 e outra a operar nas bandas GSM900 e GSM1800, as quais apresentaram ganhos de 2.02 dBi e 1.8 2.06 dBi e, e ciência de radiação de 84 e 77.6 82 %, respectivamente. Para um multiplicador de tensão de Dickson com 5 estágios a operar a 945 MHz e testado através do Advanced Design Systems (ADS) com uma impedância de carga, ZL, de 100 k obteve-se uma tensão de saída DC máxima de 18 V, correspondente a uma potência de entrada de 12 dBm que caracteriza o estado de sleep de um nó sensor de uma plataforma de RSSF. A e ciência global de recti cação máxima obtida foi de 36 %, para uma potência de entrada de -9 dBm. Os três protótipos desenvolvidos em placas de circuito impresso com dois tipos de substratos diferentes, FR4 e RO4003, foram testados, a 945 MHz, e com ZL = 100 k . Para uma tensão de alimentação, VCC, de 1.8 V (tensão mínima de um nó sensor), os três protótipos (1, 2 e 3) conseguem alimentar o estado de sleep do nó sensor para potências de entrada de -1, -7 e -8 dBm, com e ciências globais de recti cação de 5, 16 e 17 %, respectivamente. Para VCC = 3V (tensão de alimentação recomendável), os três protótipos (1, 2 e 3) conseguem alimentar o estado de sleep de um nó sensor para potência de entrada de 2, -3 e -4 dBm, com e ciência global de recti cação de 6, 18 e 20 %, respectivamente. O sistema global de recolha de energia electromagnética, constituído pela antena têxtil e protótipo 3, conseguiu fornecer uma tensão de 1.41 V para ZL = 100 k e uma tensão de 2.98 V, em circuito aberto, a uma distância de 25 metros da antena emissora de GSM900. | por |
| dc.description.abstract | Wireless Sensor Networks (WSN) consists of networks of small sensor nodes, with sensing capabilities, which cooperate among them and are clearly a key element from smart environments, physical spaces with sensors, actuators, embedded systems and communication devices. Wireless Body Area Networks (WBAN) are a class from WSN, whose sensor nodes are, usually, used near the human body, e.g., with garment embedded devices. In WSN, energy ef ciency and energy storage are aspects of fundamental importance. Therefore, electromagnetic energy harvesting from different Radio Frequency (RF) has a high research potential in this eld. The main objective is to develop prototypes that perform ambient electromagnetic energy harvesting, to power supply non-intrusive sensor nodes in WBAN. To achieve this objective, electronic circuits have been developed, based on the Dickson voltage multiplier, which allows for converting electromagnetic energy to Direct Current (DC) while increasing the amplitude of the output voltage relatively to the input signal. Three prototypes have been developed (1, 2 and 3), which consists of using only Schottky diodes and capacitors. Prototype 3 has an impedance matching circuit (between the antenna and the voltage multiplier circuit), a single stub (in open circuit). In addition, the potential advantages of using a hybrid energy storage system (formed by a supercapacitor and batteries) have been analyzed. Consequently, another aspect considered in this work was the participation in the development and conception of textile antennas to be connected to the energy harvesting prototypes, in order to harvest the electromagnetic energy. Based on eld trials to identify spectrum opportunities for RF energy harvesting that have been performed in Covilhã and Lisbon, through power density measurements, it was concluded that GSM900 and GSM1800 were the most promising ones. Hence, two textile antennas were conceived, one operating at GSM900 band and another operating at GSM900 and GSM1800 bands, with gains of 2.02 dBi and 1.8 2.06 dBi, and ef ciency of 84 and 77.6 82 %, respectively. The 5-stage Dickson voltage multiplier operating at 945 MHz has been tested with the Advanced Design Systems (ADS) software by considering an impedance load, ZL, of 100 k . We obtained a maximum DC output voltage of 18 V, corresponding to an input power of 12 dBm, which characterizes the sleep state of a sensor node from a WSN platform. The maximum conversion ef ciency obtained was 36 %, for an input power of -9 dBm. The three prototypes developed in Printed Circuit Board with two different types of substrates, i.e., FR4 and RO4003, have been tested at 945 MHz, with ZL = 100 k . For a power supply, VCC, of 1.8 V (minimum voltage to power supply the sensor node), the three prototypes (1, 2 and 3) can make available the required voltage to power supply a sensor node for RF received power of -1, -7 and -8 dBm, for conversion ef ciencies of 5, 16, and 17 %, respectively. For VCC = 3 V (recommended voltage to power supply the sensor node), the three prototypes (1, 2 and 3) can make available the required voltage to power supply a sensor node for RF received power of 2, -3 and -4 dBm, for conversion ef ciencies of 6, 18, and 20 %, respectively. The global electromagnetic energy harvesting system, comprising a textile antenna and prototype 3, was able to power supply a voltage of 1.41 V for ZL = 100 k and a voltage of 2.98 V (in open circuit), when placed at 25 meters from the GSM900 transmitter antenna. | |
| dc.identifier.tid | 201071592 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/1894 | |
| dc.language.iso | por | por |
| dc.publisher | Universidade da Beira Interior | por |
| dc.subject | Ambiente inteligente | por |
| dc.subject | Redes de comunicações | por |
| dc.subject | Comunicações com recolha de energia | por |
| dc.subject | Antenas têxteis | por |
| dc.title | Desenvolvimento de dispositivos de rocolha de energia electromagnética integrados em vestuário e aplicados a redes sem fios de área corporal | por |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.citation.conferencePlace | Covilhã | por |
| rcaap.rights | openAccess | por |
| rcaap.type | masterThesis | por |
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