primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.
En el trabajo, los inversores SN74AUP1G14 se utilizan para procesar y acondicionar señales dentro de los nodos receptores. Su función principal es actuar como buffers o inversores de señal que aseguran la correcta polarización y modulación de las señales antes de que estas sean enviadas al modulador de retrodispersión. Además, al ser inversores con gatillo de Schmitt (Schmitt Trigger), ayudan a limpiar señales de entrada ruidosas o inestables, proporcionando una salida estable y con bordes definidos, lo que es crucial para la modulación y el procesamiento adecuado de las señales de comunicación entre los nodos y el transmisor.
En resumen, el SN74AUP1G14 contribuye a estabilizar y procesar las señales RF rectificadas, asegurando que los nodos puedan comunicarse de manera eficiente y sin errores con el transmisor mediante el modulador de retrodispersión.
En cuanto a los parámetros logrados, destaca la eficiencia energética ajustable, el control preciso del haz de energía, y la capacidad de mantener nodos activos sin necesidad de baterías. El diseño debe tener en cuenta aspectos como la distancia de transmisión, la orientación de antenas y los patrones de interferencia. La metodología usada incluye experimentos de laboratorio para probar la activación de nodos a diferentes distancias y el ajuste dinámico de potencia basado en la retrodispersión.
Los resultados demostraron que el sistema podía mantener los nodos activos con una eficiencia energética notable, reduciendo la potencia de transmisión cuando el nodo acumulaba suficiente energía. Se destacan conceptos teóricos como modulación de retrodispersión, rectificación de RF, y beamforming adaptativo. Las aplicaciones mencionadas para WPT incluyen redes de sensores pasivos, IoT, y sistemas de monitoreo remoto en entornos industriales o agrícolas.
El prototipo propuesto en el artículo titulado "A Selective, Tracking, and Power Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System" introduce varias características innovadoras que lo distinguen de otros sistemas de Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT) por RF revisados. Aquí están los aspectos clave que hacen que este sistema sea superior:
Transmisión Selectiva y Adaptativa en Potencia:
- El sistema incluye un transmisor con arreglo de antenas en fase que puede cambiar adaptativamente su estado encendiendo o apagando conjuntos de elementos de antena, según la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores. Esta característica permite optimizar el consumo de energía utilizando solo la cantidad necesaria para mantener la comunicación y la transferencia de energía, haciéndolo más eficiente en comparación con los sistemas que usan un nivel de potencia constante.
Mecanismo de Seguimiento:
- El transmisor utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación y enfocar la energía precisamente donde se necesita. Este mecanismo de seguimiento mejora la eficiencia y efectividad de la transferencia de energía al garantizar que la potencia transmitida se dirija hacia el nodo objetivo.
Nodos Receptores de Baja Complejidad y Sin Baterías:
- Los nodos receptores están diseñados para ser simples y sin baterías, utilizando una pequeña porción de energía RF rectificada para generar una frecuencia de modulación dependiente de la RSS. Esta frecuencia impulsa un modulador de retrodispersión, lo que ayuda a mantener la comunicación con el transmisor. La baja complejidad y la ausencia de baterías reducen el mantenimiento y mejoran la longevidad del sistema.
Mecanismo Único de Despertar:
- El sistema emplea una señal de energía inalámbrica única para activar o despertar los nodos. Este enfoque elimina la necesidad de esquemas de modulación complejos y reduce las posibilidades de colisiones durante las llamadas de activación, aumentando así la eficiencia y fiabilidad general de la red. Este método contrasta con otros sistemas que pueden utilizar técnicas de activación más complejas y que consumen más energía.
Integración con Redes de Sensores Inalámbricos Pasivos (PWSNs):
- El prototipo está diseñado específicamente para integrarse con PWSNs, que se espera jueguen un papel crucial en el Internet de las Cosas (IoT). La combinación de transmisión selectiva, control adaptativo de la potencia y seguimiento efectivo lo hace particularmente adecuado para dichas redes, donde los dispositivos a menudo se despliegan en grandes cantidades y la eficiencia energética es primordial.
Validación Experimental:
- El artículo reporta experimentos de laboratorio exitosos que demuestran la efectividad del sistema propuesto a 5.8 GHz para WPT y a 3.6 GHz para la señal piloto. Estos experimentos validan la capacidad del sistema para crear enlaces WPT de campo lejano eficientes con una simplicidad razonable, mostrando su aplicabilidad práctica y robustez en escenarios del mundo real.
En resumen, los avances clave del sistema propuesto sobre los sistemas de WPT existentes son su control adaptativo de la potencia, mecanismo de seguimiento eficiente, diseño simple y sin baterías del receptor, enfoque único de señal de activación y su idoneidad para la integración en PWSNs. Estas características contribuyen colectivamente a una mayor eficiencia energética, fiabilidad y practicidad en diversas aplicaciones.
.
Aportes
Mejora el trabajos de “Enabling a constant
and efficient flow of wireless energy for IoT sensors,” , mejoro el dispositivo de “A low complexity
and accurate battery-less trackable device”,"Enabling a constant
and efficient flow of wireless energy for IoT sensors"Propone un sistema de transferencia de energía
inalámbrica de campo lejano (WPT) selectivo, de seguimiento y adaptable a la
potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN). Desarrolló una matriz en fase
orientable activa y electrónica, que utiliza un oscilador local (LO) de dos tonos
para seleccionar, rastrear y alimentar de forma inalámbrica nodos de la red
de sensores inalámbricos pasivos (PWSN) ubicados dentro de un área
determinada. Se elimina la sobrecarga que presentan los protocolos tradicionales Al utilizar una señal de alimentación inalámbrica única como condición de activación, el transmisor puede activar
un solo nodo, incluso si hay varios nodos dentro del ancho del haz del
transmisor.el circuito de activación está formado por un filtro de paso de banda selectivo sintonizado para f , un circuito convertidor de f a CC y un transistor que debe activarse para cerrar la ruta de CC para el módulo de retrodispersión y la carga.En su aplicacion La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m, lo que
indica que la potencia transmitida debería aumentarse para mantener el
nodo despierto a esas distancias.Tan pronto
como la energía recolectada por el nodo fue suficiente para activarlo, la
señal piloto fue retrodispersada y monitoreada. Con la señal de potencia
inalámbrica respectiva, se realizó una exploración para cada nodo.Después de la detección, el transmisor apunta secuencialmente la radiación a cada nodo y el estado disminuye (o se mantiene) para mantener el nodo despierto con la mínima potencia transmitidaFig. 17. Patrones de radiación utilizados por el transmisor para activar secuencialmente
los nodos y mantenerlos despiertos con la mínima potencia requerida. [1]
Materiales utilizados
Se emplea un modulador IQ (AD8345) to para brindar la capacidad de establecer cualquier cambio de fase y/o amplitud arbitra en cada elemento.Para establecer la fase y amplitud apropiadas para los 16 elementos, se seleccionó un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384). 40 canales y 14 bits de bajo consumo que se puede configurar con cualquier microcontrolador de uso generaldiodos Schottky SMS7630-079LFun oscilador en anillo ompuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14)el
modulador de retrodispersión (transistor T 1, ATF54143).transistor T2 (FDN337N) inductores variables (CoilCraft M100)
Teoría
Funcionamiento
está compuesto por varios módulos y componentes, cada uno con una función específica que contribuye al rendimiento general del sistema. A continuación, se describen los componentes principales y sus funciones:
Componentes del Prototipo
Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:
- Función: Este componente es responsable de generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores. Utiliza un arreglo de antenas que puede cambiar su configuración (encendiendo o apagando elementos de la antena) basado en la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores.
- Nombre del Módulo: No se especifica un nombre específico para el arreglo de antenas en el artículo, pero es un elemento crucial del sistema.
Mecanismo de Seguimiento Dinámico:
- Función: El transmisor ajusta dinámicamente su patrón de radiación utilizando la señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores. Este ajuste garantiza que la energía se enfoque precisamente en la ubicación del nodo receptor, mejorando así la eficiencia de la transferencia de energía.
- Nombre del Módulo: Este mecanismo es parte del sistema de control del arreglo de antenas, aunque no se da un nombre específico en el artículo.
Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:
- Función: Estos nodos capturan la energía RF transmitida y la rectifican para generar una señal RSS-dependiente que modula una frecuencia. Esta frecuencia se utiliza para la comunicación de retorno al transmisor, lo que ayuda a mantener la transferencia de energía y la comunicación.
- Nombre del Módulo: Los nodos receptores no tienen un nombre específico mencionado en el artículo, pero su diseño es fundamental para el funcionamiento eficiente del sistema.
Modulador de Retrodispersión:
- Función: Este modulador es accionado por la señal RSS-dependiente generada por los nodos receptores. Permite que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin necesidad de una fuente de energía activa, utilizando solo la energía capturada.
- Nombre del Módulo: Aunque se describe su función, no se proporciona un nombre específico para el modulador de retrodispersión en el artículo.
Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:
- Función: El sistema utiliza una señal de energía inalámbrica única para activar o "despertar" los nodos receptores. Este mecanismo simplifica el proceso de activación y reduce el consumo de energía, ya que elimina la necesidad de complejos esquemas de modulación para la activación.
- Nombre del Módulo: Este mecanismo se describe en términos de su funcionalidad, pero no se asigna un nombre específico en el artículo.
Resumen de las Funciones
- Transmisión Adaptativa: El transmisor ajusta dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
- Seguimiento Preciso: El uso de una señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
- Receptores Simples: Los nodos receptores sin baterías utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor, reduciendo la complejidad y el mantenimiento.
- Despertar Eficiente: Un mecanismo único de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable.
En conjunto, estos componentes y módulos trabajan armoniosamente para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).
Componentes del Prototipo y Sus Funciones
Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:
- Función: Generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores.
- Componentes Clave:
- Modulador IQ (AD8345): Utilizado para modular la señal de RF en fase y en cuadratura, mejorando la precisión y control de la transmisión.
- Convertidor Digital a Analógico (DAC) denso (AD5384): Convierte señales digitales en señales analógicas para el control preciso de las fases en el arreglo de antenas.
Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:
- Función: Capturar la energía RF y generar una señal RSS-dependiente para la comunicación de retorno.
- Componentes Clave:
- Diodos Schottky (SMS7630-079LF): Utilizados para la rectificación de la señal RF, convirtiendo la energía RF en energía DC.
- Inversores CMOS (SN74AUP1G14): Utilizados para procesar y acondicionar las señales dentro de los nodos receptores.
Modulador de Retrodispersión:
- Función: Permitir que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin una fuente de energía activa.
- Componentes Clave:
- Transistor T1 (ATF54143): Utilizado como modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación de vuelta al transmisor utilizando la energía capturada.
- Transistor T2 (FDN337N): Apoya el proceso de modulación y el acondicionamiento de la señal.
Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:
- Función: Activar o "despertar" los nodos receptores utilizando una señal de energía inalámbrica única.
- Componentes Clave: Aunque no se menciona específicamente en el resumen, este mecanismo puede utilizar los componentes del receptor y modulador para recibir y procesar la señal de activación.
Resumen de las Funciones
- Transmisión Adaptativa: Utilizando el modulador IQ (AD8345) y el DAC (AD5384), el transmisor puede ajustar dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
- Seguimiento Preciso: La señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
- Receptores Simples: Los nodos receptores, equipados con diodos Schottky (SMS7630-079LF) y transistores (T1, ATF54143 y T2, FDN337N), utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor.
- Despertar Eficiente: El mecanismo de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable, utilizando la infraestructura de los componentes descritos.
Estos componentes y módulos, con sus nombres y funciones específicos, trabajan juntos para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).
Topologia
Para detectar y alimentar de forma inalámbrica varios nodos pasivos, con capacidades de comunicación de retro dispersión y mecanismos de activación , se selecciona como transmisor de potencia inalámbrico un conjunto en fase activo y orientable electrónicamente que funciona a 5,8 GHz, así como un módulo de comunicación de retrodispersión que funciona a 3,6 GHz.
El sistema propuesto opera en base a una señal piloto que controla el patrón de radiación del transmisor. Sin embargo, en esos trabajos la señal piloto es generada y transmitida por el receptor, lo que implica que el dispositivo receptor debe estar equipado con algún tipo de fuente de energía. Además, el transmisor debe comparar la fase de la señal piloto recibida con una referencia de fase interna para configurar correctamente su haz principal. Aquí, la señal piloto es generada por el transmisor y retrodispersada por el dispositivo receptor, lo que permite admitir nodos totalmente pasivos. el transmisor se opera en estados, donde cada estado transmite una cantidad específica de potencia al encender un cierto número de elementos de antena adyacentes, el transmisor monitorea continuamente la potencia recibida del nodo a través de la señal piloto retrodispersada.
Los nodos son dispositivos sin batería que convierten la energía de RF recolectada en energía CC utilizable, que se utiliza para encender un LED rojo. Estos nodos se activan a partir de la potencia que se transmite y se comunican a través de la señal piloto mediante modulación de retrodispersión. el transmisor debe saber continuamente cuánta energía recolecta el nodo para seleccionar correctamente el estado y la dirección del haz
El transmisor/lector de
energía inalámbrico comienza eligiendo el nodo del que desea recuperar
información configurando la señal de energía inalámbrica respectiva. Luego, se
realiza una exploración a máxima potencia mientras también se irradia la señal
piloto. La señal piloto retrodispersada se controla en todas las direcciones del
haz. Si el objetivo deseado está presente, activará inmediatamente su
modulador de retrodispersión e informará al transmisor sobre cuánta potencia
se recibe desde esa dirección específica. Después de todo el escaneo, se
conoce la dirección de la potencia máxima recibida y el transmisor puede
adaptar la potencia transmitida (estado) para mantener el nodo despierto con
una potencia mínima transmitida/consumida.
Este transmisor consta de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4 diseñada para funcionar a 5,8 GHz. Se seleccionó una distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0 (λ0 es la longitud de onda en el espacio libre) para permitir dirigir el haz sin lóbulos de rejilla significativosFig. 3. Representación de la antena patch microstrip de potencia inalámbrica plana 4 × 4 con sus estados
reconfigurables y las antenas transmisoras/receptoras de señal piloto
Fig. 7. Esquema del nodo donde se resaltan un convertidor de RF a CC, un módulo de
retrodispersión, un circuito de activación y una carga [1]
En este trabajo opera con tres estados. El estado 1
consta de una fila central, el estado 2 de las dos filas centrales y el estado 3
está formado por todos los elementos. Al utilizar un enlace separado para la señal piloto, el nodo podrá recibir
continuamente la energía que se le transmite, al mismo tiempo que podrá
dispersar la señal piloto de regreso al transmisor con información útil, a 3,6 GHz
Convertidor de RF a CC y cargaEl circuito empleado es una bomba de carga Dickson convencional de tres
etapas construida con diodos Schottky SMS7630-079LF y optimizada para
operar a 5,8 GHz. La entrada se adapta a la antena a través de un único trozo
abierto, mientras que un cuarto de longitud de ondaMódulo de retrodispersión El módulo de retro dispersión es el componente que permite al nodo reenviar
la señal piloto al transmisor con información útil modulada en frecuencia, la cual
está relacionada con la potencia de entrada de RF instantánea. Usa un oscilador en anillo compuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14) opera como un oscilador controlado por voltaje (VCO) en la región subumbral, y se muestra que su frecuencia de oscilación ( fm) depende de la frecuencia del nodo. potencia de entrada de RF instantáneaSi el
espaciado de tonos de la señal de potencia inalámbrica transmitida es igual
al receptor f , el convertidor de RF a CC generará un componente en f y luego
lo rectificará f a CC para activar el transistor T2Se diseñaron y construyeron tres nodos similares con diferentes filtros de
paso de banda Butterworth de tercer orden prediseñados.
El nodo 1 se activa
mediante una señal de dos tonos con una separación de 597 kHz, el nodo 2
con 1,29 MHz y el nodo 3 con 1,88 MHz
Parámetros
En este experimento, el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente
para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de
activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada
en el transistor T2. Transmisor de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4
5,8 GHz para la WPT y a 3,6 GHz para la señal pilotoa distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0 (λ0
es la longitud de onda en el espacio libre)
el ancho del haz es aproximadamente el mismo en el plano de dirección e igual a 23,5° se seleccionó como nuevo LO una señal de dos tonos (5,1 y 5,102 GHz), Señal IF 0.7 GHz,
La ganancia PIRE incremental entre estados consecutivos es de 6 dB, lo que corresponde a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena y también a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena. el nodo se enciende aproximadamente a −3 dBm de potencia deEn la primer prueba, entrada de RF promedio y el PCE máximo alcanzado es del 46,2 % a 3 dBm.el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente
para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de
activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada
en el transistor T2La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 mFuncionamiento
primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.
Funcionamiento
Aplicaciones mencionadas
redes de sensores inalámbricosInternet de las cosas
La WPT con RF es compatible con las redes de sensores y con IoT. La propuesta emplea un modulador IQ (AD8345) y un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384), junto con diodos Schottky (SMS7630-079LF), inversores CMOS (SN74AUP1G14), el modulador de retrodispersión (transistor T1, ATF54143) y el transistor T2 (FDN337N). Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados.
Para la elección del tipo de batería a utilizar se pueden considerar los siguientes parámetros:
- Eficiencia energética: La capacidad del sistema para optimizar el uso de energía.
- Durabilidad: La vida útil de las baterías en función de los ciclos de carga y descarga.
- Capacidad: La cantidad de energía que puede almacenar la batería.
Entre las ventajas con las que cuentan los nodos receptores, destaca su diseño sin baterías. Estos nodos utilizan una porción de energía RF para generar una frecuencia de modulación que impulsa un modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación con el transmisor. El transmisor, a su vez, utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación, enfocar la energía en los nodos necesarios y así mantenerlos activos.
Al variar la distancia entre el transmisor y los nodos receptores, se requiere ajustar la potencia de transmisión para asegurar la activación y operación continua de los nodos. Cuando los nodos recolectan suficiente energía, se activan y envían una señal retrodispersada al transmisor. Esta señal es monitoreada, y en función de la cantidad de energía necesaria para mantener el nodo activo, la potencia de transmisión se ajusta para disminuir o mantenerse.
Esta topología no solo mejora la eficiencia energética del sistema, sino que también prolonga la vida útil de los nodos receptores y reduce la necesidad de mantenimiento frecuente, haciendo que sea una solución viable y efectiva para aplicaciones en IoT y redes de sensores.
La WPT con RF es compatible con las redes de sensores y con IoT. La propuesta emplea un modulador IQ (AD8345) y un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384), junto con diodos Schottky (SMS7630-079LF), inversores CMOS (SN74AUP1G14), el modulador de retrodispersión (transistor T1, ATF54143) y el transistor T2 (FDN337N). Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados.
Para la elección del tipo de batería a utilizar se pueden considerar los siguientes parámetros:
- Eficiencia energética: La capacidad del sistema para optimizar el uso de energía.
- Durabilidad: La vida útil de las baterías en función de los ciclos de carga y descarga.
- Capacidad: La cantidad de energía que puede almacenar la batería.
Entre las ventajas con las que cuentan los nodos receptores, destaca su diseño sin baterías. Estos nodos utilizan una porción de energía RF para generar una frecuencia de modulación que impulsa un modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación con el transmisor. El transmisor, a su vez, utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación, enfocar la energía en los nodos necesarios y así mantenerlos activos.
Al variar la distancia entre el transmisor y los nodos receptores, se requiere ajustar la potencia de transmisión para asegurar la activación y operación continua de los nodos. Cuando los nodos recolectan suficiente energía, se activan y envían una señal retrodispersada al transmisor. Esta señal es monitoreada, y en función de la cantidad de energía necesaria para mantener el nodo activo, la potencia de transmisión se ajusta para disminuir o mantenerse.
Esta topología no solo mejora la eficiencia energética del sistema, sino que también prolonga la vida útil de los nodos receptores y reduce la necesidad de mantenimiento frecuente, haciendo que sea una solución viable y efectiva para aplicaciones en IoT y redes de sensores.
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