Gestão de Energia em Redes de Sensores sem Fios

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Main Author: Semedo, Sónia Maria Vaz
Publication Date: 2016
Language: por
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/29587
Summary: Tese de doutoramento em Engenharia Física, no ramo de Instrumentação, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
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spelling Gestão de Energia em Redes de Sensores sem Fiosredes de sensores sem fiosdespertar por radiofrequênciagestão de energiacaptação de energiawireless sensor networkspower managementenergy harvestingwake-up radioTese de doutoramento em Engenharia Física, no ramo de Instrumentação, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraA energia é um recurso limitado em redes de sensores sem fios, pelo que uma gestão eficiente da energia disponível é crucial para aumentar o seu tempo de vida operacional. Assim, a gestão de energia em redes de sensores sem fios tem estado focada no desenvolvimento de mecanismos de activação sincronizada de nós “adormecidos” e de tecnologias de captação de energia do meio envolvente. O objectivo deste trabalho consistiu em explorar estas duas abordagens para criar condições de disponibilidade contínua de energia nos nós de redes sem fios: em primeiro lugar, explorando tecnologias de captação de energia de importantes fontes no meio envolvente: luz solar, diferenciais térmicos e campos electromagnéticos, e, também, cultivando métodos e tecnologias de despertar por radiofrequência (wake-up radio) como forma mais adequada de gerir as oportunidades de operação dos nós de uma rede, poupando energia no tempo restante. São apresentados estudos e soluções realizadas no âmbito industrial, bem como os métodos e resultados da análise realizada para a sua validação. Assim, conseguiu-se: • Uma solução baseada na captação de energia solar, com uma eficiência superior a 70% (desde a saída do painel fotovoltaico), capaz de suportar sensores e repetidores numa rede, acumulando energia correspondente a autonomias de 16 e 40 horas, respectivamente, numa aplicação de diagnóstico de seccionadores de alta-tensão em subestações de distribuição de electricidade; • Uma solução de captação de energia de diferenciais térmicos, para suportar sensores de diagnóstico do estado de funcionamento de purgadores, em linhas industriais de distribuição de vapor, permitindo uma disponibilidade permanente de energia, mesmo para diferenças de temperatura de uns meros 20 °C; • Uma solução de captação de energia de campos magnéticos gerados por correntes eléctricas intensas, para aplicação em sensores sem fios a utilizar em redes de distribuição de electricidade, que, nas circunstâncias dos trabalhos propostos, amplamente demonstrou a viabilidade do conceito e foi industrialmente incorporado numa unidade sem fios para a monitorização de correntes eléctricas e o diagnóstico do estado de fusíveis em postos de transformação; • Duas soluções de despertar por radiofrequência, sem prejuízo da latência de comunicação: (i) despertar colectivo, sincronizado para todos os nós da rede no volume de alcance-rádio do emissor, que se revelou eficaz até aos 37 metros, no interior, consumindo 7 µA e (ii) despertar selectivo, individualizando o nó a activar, com um alcance de 33 metros, igualmente no interior, consumindo 5 µA — em campo aberto, o alcance foi de 10 metros. Em suma: as soluções industriais realizadas no âmbito deste trabalho demonstram a viabilidade de suportar a alimentação em potência de nós de redes sem fios operando em diferentes regimes e dependendo de diversas fontes de energia, em natureza e potência disponível, que, no nosso entender constitui condição necessária ao sucesso industrial das redes de objectos sem fios.Energy is a limited resource in wireless sensor networks, and so, efficient management of available energy is crucial to increase their operational lifetime. Thus, power management in wireless sensor networks has been focused on developing synchronized activation mechanisms of "asleep" nodes and on technologies for energy harvesting from the environment. The purpose of this study was to explore these two approaches to create conditions of continuous availability of energy in wireless nodes: first, by exploiting important energy sources in the environment: sunlight, thermal differences, and electromagnetic fields, as much as integrating methods and technologies addressing wake-up radio capabilities, as the most appropriate means to determine opportunities for nodes in a network to operate, thus saving energy in the remaining time. Both studies and industry-led solutions are presented, as well as methods and results obtained for validation. Thus, the following results were achieved: • A solution based on solar energy harvesting, with an efficiency over 70% (from the output of the photovoltaic panel) able to support sensors and repeaters in a network, by accumulating energy corresponding to an autonomy of 16 and 40 hours, respectively, which is used for the diagnosis of high-voltage circuit breakers, in electricity distribution substations; • An energy harvesting solution from thermal difference, in order to support sensors for the condition monitoring and diagnosis of steam traps across large-scale plants of process industries, thus allowing continuous availability of energy, even for temperature differences of a mere 20 °C; • An energy harvesting solution from magnetic fields generated by intense electrical currents, for use in wireless sensors in distribution electricity grids, which, in the circumstances of the proposed work, thoroughly demonstrated the concept's feasibility and, thereby, integrated a wireless sensor for the continuous monitoring of electric currents and the condition diagnosis of fuses in secondary distribution substations; • Two wake-up radio solutions, with no effect on communication latency: (i) collective awakening synchronizing all nodes within range of the radio transmitter, which proved effective up to 37 meters’ distance, in indoors condition, consuming 7 µA, and (ii) selective awakening, thus activating each individual node in a network, within a range of 33 meters, also indoors, consuming 5 µA — in open field, the range was reduced to 10 meters. In short: industrial solutions carried out under this study have demonstrated the feasibility of fully supporting the power supply of nodes in wireless networks operating in different regimes and depending on various energy sources, in nature and available power, which, in our view, is mandatory for the industrial success of wireless object networks.FCT - SFRH/BDE/51607/20112016-02-12doctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionSEMEDO, Sónia Maria Vaz - Gestão de energia em redes de sensores sem fios. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/29587https://hdl.handle.net/10316/29587SEMEDO, Sónia Maria Vaz - Gestão de energia em redes de sensores sem fios. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/29587https://hdl.handle.net/10316/29587TID:101448473porSemedo, Sónia Maria Vazinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2021-07-30T10:15:35Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/29587Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T05:22:20.533251Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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