Revision: Advanced Monitoring Systems Based on Battery-Less Asset Tracking Modules Energized through RF Wireless Power Transfer

 Problemas: El seguimiento de activos, para redes de sensores inalámbricos (WSN) con nodos sin batería

baterias

  presenta un sistema sistema basado en RF WPT para alimentar una etiqueta BLE sin batería para el seguimiento de activos, para identificar y monitorear la velocidad de los activos en una WSN  que reciben toda su energía operativa mediante una arquitectura de transferencia inalámbrica de energía (WPT) por radiofrecuencia (RF), y un enfoque de medición único para generar lecturas de velocidad en el dominio del tiempo. 

La evaluación incluye las características de rendimiento y las características clave de un sistema en chip (SoC) diseñado específicamente para alimentar un nodo mediante WPT de RF. 

 La validación del modelo se realiza mediante pruebas específicas. Se presentan resultados experimentales que demuestran la viabilidad del sistema de monitorización avanzado propuesto.

Se proporcionó un modelo matemático que proporciona una relación para obtener el número mínimo de lectores (NoR) a partir de los parámetros más relevantes del sistema, como la tensión máxima Vh, la sensibilidad y el PCE del convertidor de RF a CC, así como la velocidad y los requisitos de energía de la etiqueta. 

 se presentó la relación matemática entre la velocidad de una etiqueta BLE sin batería para activos con seguimiento y el número de lectores. 

Finalmente, se probó un sistema real para demostrar la concordancia entre los resultados experimentales de los sensores y los modelos propuestos, y para confirmar la validez del enfoque sugerido tanto para calcular el número mínimo de lectores como para detectar la velocidad.

El artículo presenta un sistema de seguimiento de activos basado en sensores sin batería, alimentados a través de Transferencia de Energía Inalámbrica por Radiofrecuencia (RF-WPT). El sistema utiliza etiquetas Bluetooth Low Energy (BLE) sin batería que reciben su energía mediante RF-WPT. A continuación, te detallo las tecnologías empleadas y los resultados obtenidos:

Tecnologías utilizadas:

1. Transferencia de Energía Inalámbrica por Radiofrecuencia (RF-WPT): Utiliza ondas de radio para alimentar las etiquetas BLE sin batería a través de un proceso de conversión de RF a DC (corriente continua).

2. Bluetooth Low Energy (BLE): Se utiliza para la comunicación de datos de bajo consumo entre la etiqueta y los lectores. Esta tecnología permite la transmisión de pequeños paquetes de datos, ideal para aplicaciones como el monitoreo de activos.

3. Sistema en un chip (SoC): Un SoC diseñado específicamente para convertir la energía RF en energía eléctrica mediante un convertidor RF a DC, lo que permite alimentar a las etiquetas sin necesidad de baterías.

4. Algoritmo de Seguimiento de Máxima Potencia (MPPT): Utilizado para optimizar la eficiencia en la conversión de energía, ajustando dinámicamente el número de etapas del convertidor RF a DC en función de la potencia recibida.

Rendimiento del sistema:

• El sistema fue evaluado mediante pruebas experimentales que demostraron su efectividad en condiciones dinámicas, donde las etiquetas se mueven entre varios lectores.

• Eficiencia de Conversión de Potencia (PCE): La eficiencia de conversión RF a DC alcanzó un máximo de 37% en la frecuencia de 868 MHz, con una potencia de entrada de -18 dBm. El rendimiento dependió en gran medida de la distancia entre el lector y la etiqueta, así como de las condiciones del entorno.

• Número de Lectores: Se desarrolló un modelo matemático para determinar el número mínimo de lectores necesarios para cubrir el área de monitoreo de los activos, dependiendo de la velocidad de los mismos y los requerimientos energéticos de las etiquetas. El número de lectores aumentó con la velocidad de desplazamiento de las etiquetas.

• Detección de Velocidad: El sistema también permite medir la velocidad de los activos, utilizando el número de lectores cruzados y la información de potencia recibida por la etiqueta. Esto se demostró experimentalmente con diferentes velocidades de 0.05 m/s, 0.1 m/s y 0.2 m/s.

• Pruebas en el Mundo Real: En un entorno industrial (cinta transportadora), el sistema mostró que las etiquetas sin batería podían completar la fase de arranque inicial después de cruzar varios lectores (33 lectores en un caso de prueba), confirmando la precisión del modelo teórico para la cantidad de lectores requeridos.

Sistema en un Chip (SoC):

• Se menciona el uso de un SoC específicamente diseñado para este sistema, que se encarga de convertir la energía de RF a corriente continua (DC) para alimentar la etiqueta BLE sin batería.
• El SoC incluye:
  • Un convertidor RF a DC que convierte la energía recibida por la antena en energía eléctrica.
  • Un módulo de gestión de energía ultra-bajo consumo, que controla la energía almacenada en un condensador de almacenamiento (Cstorage) y regula el funcionamiento del sistema.
  • Un máquina de estado digital (FSM) que gestiona la conversión y el consumo de energía.

Transceptor RF (Lectores y Etiquetas):

• Para la transferencia de energía se utiliza un transceptor RF sub-GHz proporcionado por STMicroelectronics (modelo Spirit1), que permite la transmisión de potencia hasta 27 dBm. Este componente se usa en los lectores que transmiten energía hacia las etiquetas BLE.
• Para la comunicación de datos, se utiliza un módulo Bluetooth Low Energy (BLE), específicamente el BLUENRG-2 de STMicroelectronics, compatible con Bluetooth 5.0 y con un muy bajo consumo de energía.

Antenas:

• El sistema utiliza antenas de alta ganancia como la Revie Pro de Laird para la transmisión y recepción de energía y datos.
• La elección de las frecuencias de operación, como la banda ISM de 868 MHz para la transferencia de energía y 2.4 GHz para la comunicación de datos, es clave para optimizar la eficiencia y minimizar las pérdidas por trayectoria libre (FSPL).

Capacitores de Almacenamiento (Cstorage):

• El condensador de almacenamiento (Cstorage) es un componente crucial que almacena la energía convertida para alimentar la etiqueta. Se utilizan valores típicos de capacitores como 330 µF para pruebas experimentales, aunque también se probó con 100 µF en algunos casos para reducir el tamaño y costo del sistema.

Controlador de Potencia y Optimización (MPPT):

• Se implementa un sistema de seguimiento de punto de máxima potencia (MPPT) que ajusta dinámicamente la eficiencia de conversión de energía, variando el número de etapas en el convertidor RF a DC, optimizando así tanto la sensibilidad como la eficiencia de conversión de potencia (PCE). Esta tecnología permite que el sistema gestione variaciones en la potencia recibida durante el movimiento de las etiquetas.

Estructura de Lectores (Lectores Dispersos):

• Los lectores RF están ubicados en una disposición espacial equidistante (por ejemplo, a 2.9 m de distancia entre cada lector), lo que permite la cobertura y el seguimiento adecuado de las etiquetas que se mueven a través de la red.
• Estos lectores, equipados con los transceptores RF y antenas, transmiten energía y también reciben los paquetes de datos de las etiquetas BLE.

Configuración en el Mundo Real (Cinta Transportadora):

• El sistema fue probado en un entorno industrial con una cinta transportadora de 18 m de longitud, donde se colocaron seis lectores de manera equidistante