Revision: Powering Wireless Sensor Networks with Solar Generated RF

 el problema es el suministro de energía para los WSN

Propone un punto de acceso (PA) para enviar energía e información a la red de seguridad. 

, la energía solar se convierte en electricidad mediante células fotovoltaicas. La electricidad captada se alimenta directamente a un oscilador de RF o se almacena en un depósito de energía para su uso futuro

cuando se requiere compacidad, las células solares se instalan directamente en la placa del transmisor o del receptor

El transmisor envía la señal de energía en una señal CW de alta potencia por subportadoras a la frecuencia portadora, mientras que la señal de comunicación se transmite por las subportadoras restantes de baja potencia

adopta un diseño de receptor SN con circuitos EH e ID divididos. Este esquema de receptor dividido aumenta la potencia aprovechable en la entrada del reservorio de energía

. El circuito presentado capta hasta 24 mW de potencia de una celda fotovoltaica. Posteriormente, utiliza la energía acumulada para alimentar un oscilador de clase E, que genera y radia potencia electromagnética a nodos sensores de bajo consumo y dispositivos RFID  

En este artículo se presenta un transmisor de RF con DPA El diseño presentado  consiste en un transmisor de RF alimentado por energía sola 

el sistema presentado puede considerarse un AP que envía señales de energía e instrucciones a las redes neuronales y recibe los datos detectados por estas. Además, el AP está conectado a un servidor mediante un módem 5G para el posterior procesamiento de dato

El panel fotovoltaico convierte la energía solar en energía eléctrica y luego suministra la electricidad generada a la batería. Se utiliza un controlador de carga para proteger la batería de la sobrecarga.

La batería alimenta todos los componentes del AP. Además, el oscilador local genera una señal CW cuando está polarizado por la batería

La salida del oscilador se divide entre los circuitos de procesamiento de información y transmisión de potencia a través de un divisor de RF.

. El circuito de potencia contiene un amplificador de alta potencia para amplificar la señal CW

la portadora CW se modula a las subportadoras de información

La sección de procesamiento de información contiene un microcontrolador (MCU) para el procesamiento y la computación general, el procesador de señal digital (DSP), que puede considerarse como un tipo especial de MCU para el procesamiento de señales de muy alta eficiencia. El convertidor digital a analógico (DAC), como su nombre lo indica, convierte la salida de señal digital del DSP en una señal analógica.

La salida de los circuitos de potencia e información se fusiona a través de un combinador de RF y se transmite a través de un elemento de antena

la densidad espectral de potencia (PSD) de TS y PS contra DPA utilizando 72 subportadoras

en DPA Se utilizan 12 subportadoras para la señal de energía y el resto para la señal de comunicación. En TS y PS, se incrementa la potencia de todas las subportadoras, mientras que en DPA solo se asigna alta potencia a las subportadoras en la frecuencia portadora, lo que reduce la interferencia a las redes externas. La señal transmitida se considera una señal OFDM con polarización continua

La polarización de CC se introduce mediante la señal de alta potencia de onda continua (CW) añadida a la señal de información. Al implementar OFDM con polarización de CC, el dominio de frecuencia se limita a una simetría autoadjunta. 

 se utiliza la mitad de las subportadoras para transmitir la señal de comunicación y obtener una señal de dominio temporal con valor real [30]. Además, la señal transmitida en cualquier instante t es la siguiente

Donde S(t) es la señal de comunicación transmitida, SDC es el componente de CC, P(t)n es la potencia utilizada para transmitir información en la subportadora fn y d(n) es la señal de comunicación de valor real.

El circuito receptor consta de múltiples antenas, un combinador de potencia que combina la potencia de las antenas, un multiplicador de carga para elevar el voltaje de entrada a niveles utilizables y una sección de identificación para la señal de comunicación

El diseño del receptor separado divide la señal recibida antes de la rectificación entre el recolector de energía y el decodificador de información, aumentando así la potencia en la salida del depósito de energía, 

estado del arte 

RFID [19]

en [20] se presenta un prototipo de antena activa del tamaño de una tarjeta de crédito alimentada por energía solar para aplicaciones de identificación inalámbrica 

El diseño de un transmisor de RF alimentado por energía solar se presenta en [21] 

En [4], se presenta un transmisor de RF de 800 MHz alimentado con energía solar con una antena impresa por inyección de tint

 El diseño en [4] está destinado a ser utilizado en transferencia de energía inalámbrica y sistemas RFID de bajo costo.

En [22] se presenta un prototipo de un nodo sensor de predicción temprana de inundaciones alimentado por energía solar. 

En [23], se estudian algoritmos de programación para WSN con AP híbrido alimentado por energía solar

En [24], se presenta una red inalámbrica de sensores de potencia, donde una estación base transmite de forma inalámbrica potencia de RF a un nodo sensor. un nodo sensor puede cargarse de forma inalámbrica a una distancia de 2,6 m de la estación base y que puede mantener estable la energía recolectada 

En [25], el trabajo de [24] se extiende a múltiples nodos sensor. Se estudia un método de formación de haz con división de haz que permite a la estación base dividir la potencia de transmisión entre múltiples nodos sensor. Para ello, se presentan dos algoritmos: uno para la división de haz y otro para mantener el nodo sensor en línea. Además, se alcanza una potencia de recepción de 3 mW en el nodo sensor, a una distancia de 2 m del transmisor

Asimismo, en [26], los autores estudiaron la energía aprovechable de un punto de acceso inalámbrico (WI-AP) de 2,4 GHz, donde desplegaron 23 periféricos de radio por software universal (USPR) dentro de una habitación. Los autores concluyeron que se podría proporcionar una cantidad de energía utilizable a detectores de humo y termómetros mediante la transferencia inalámbrica de energía

En [27] se estudia una WSN que opera a una frecuencia de 868 MHz. El sensor puede operar a una distancia de 16,8 m cuando la potencia del transmisor se establece en 2 W. Además, la sensibilidad de captación de energía en el nodo sensor puede alcanzar hasta -17 dBm. Sin embargo, este trabajo no consideró la alta diferencia de potencia entre el envío de información y la alimentación de los nodos sensores

s. En [28] se presenta un experimento de banco de pruebas con una WSN compuesta por una estación base y un nodo receptor. Los autores añadieron una onda continua de alta potencia a la señal transmitida para aumentar los niveles de potencia captables en el nodo de destino.

este trabajo mostró un nivel de potencia de antena de 1,5 mW a una distancia de 3 m del AP, logrando un nivel de potencia aprovechable de más de 1 mW  

no consideraron la sostenibilidad de la fuente de energía, ya que la señal CW de alta potencia destinada a enviar energía consume mayor energía que la señal de información.

transmisor de RF alimentado por energía sola  [29]

teoria

la ley del cuadrado inverso bien establecida, la mayor parte de la potencia de RF se pierde en el medio de transmisión, lo que requiere que el AP transmita a niveles de potencia relativamente más altos en comparación con la potencia utilizada para la comunicación de información. 

La energía mecánica se genera a partir del flujo natural de agua, aire y vibración de objetos en movimiento como los automóviles. Moviéndose a través de un puente. Además, la eficacia de las fuentes de energía mecánica varía desde las más eficaces y fiables, como la energía hidroeléctrica, hasta las menos eficaces, como la vibración. La vibración se convierte en electricidad mediante un material piezoeléctrico que genera corriente eléctrica al aplicar presión. Las fuentes de energía mecánica tienen partes móviles, lo que dificulta su integración en las redes de sensores de agua (WSN) 

Las fuentes de energía aprovechables se pueden clasificar de forma general en las siguientes

Las fuentes de energía aprovechables se pueden clasificar de forma general en las siguientes (generador piezoeléctrico)

Predecible e incontrolable: La energía puede predecirse mediante modelos matemáticos , no puede monitorizarse ni generarse según demanda,  (la energía sola)

Controlable y predecible: La producción de energía es predecible y controlable, la fuente de energía es controlada por la red y se suministra según la demanda (WPT)

La energía solar se considera una fuente de energía verde inagotable y prometedo

La fuente de luz radiante puede ser natural, como la solar, o artificial

La energía solar se obtiene principalmente mediante plantas de energía solar concentrada (CSP) y paneles solares fotovoltaicos (FV). La CSP consiste en un conjunto de espejos reflectores que concentran la luz solar en un receptor, el cual convierte la luz solar concentrada en calor para alimentar una turbina de vapor.

. En los paneles solares fotovoltaicos, la radiación solar se convierte en electricidad mediante un dispositivo semiconductor llamado célula fotovoltaica 

 La salida eléctrica de la celda depende de factores como la intensidad de la insolación y la temperatura ambiente [8]. Además, el tamaño de una celda fotovoltaica puede variar ampliamente según la aplicación

Los transductores solares fotovoltaicos no involucran partes móviles, lo que ayuda a prolongar su vida útil, reducir su costo de mantenimiento y aumentar su confiabilidad. La radiación solar se convierte en electricidad utilizando un dispositivo básico de estado sólido. Además, la energía solar está descentralizad

, una célula solar se puede implementar directamente en el dispositivo consumidor de energía, por ejemplo, una farola alimentada por energía solar. En consecuencia, se resuelve el problema del cableado de una gran cantidad de farolas y dispositivos similares. Sin embargo, la energía solar tiene una disponibilidad temporal limitada, ya que el sol solo es visible durante el día [11]

, los sistemas de almacenamiento de energía son esenciales para la disponibilidad de electricidad generada por energía solar durante todo el día [12]

el número de dispositivos electrónicos que utilizan energía solar está en constante aumento debido a su escalabilidad, ya que la producción de energía del panel fotovoltaico depende en gran medida de su tamaño. Por lo tanto, si se tiene un dispositivo pequeño que consume poca energía, se puede instalar un panel fotovoltaico pequeño

a eficiencia de conversión de energía de la celda depende del tipo de material utilizado para fabricar los paneles

. La intensidad típica de la energía solar en exteriores es de 500 W/m², con una eficiencia de conversión que varía entre el 15 % y el 25 %. En interiores, la intensidad de la luz es de aproximadamente 10 W/ m², con una eficiencia de conversión del 2 % al 10 [13]

 La radiación de radiofrecuencia (RF) se define como la energía transportada por ondas electromagnéticas con frecuencias que oscilan entre 30 kHz y 300 GhZ.

 1. La potencia de una señal de RF disminuye exponencialmente con la distancia desde la fuente de radiacion

. Normalmente, cuando se utiliza RF para alimentar dispositivos, la potencia recibida oscila entre µW y unos pocos mW. La energía de RF está disponible las 24 horas 

la energía de RF se clasifica como ambiental y dedicada. En la energía de RF ambiental, la SN recopila señales de RF aleatorias presentes en el entorno, como señales de televisión y señales de estaciones base celulares

. En la energía de RF dedicada, un transmisor transmite energía a la SN. La red controla la fuente de RF dedicada, por lo que ofrece mayor fiabilidad que las fuentes ambientales. Además, un recolector de energía de RF, a diferencia de las turbinas eólicas, se integra fácilmente en un nodo sensor (SN) gracias al tamaño relativamente limitado del circuito RF

 La transferencia de potencia inalámbrica (WPT) salió a la luz por primera vez en 1948 cuando Harry Stockman publicó su trabajo titulado “Comunicación por medio de potencia reflejada”

, el primer prototipo alimentado por RF fue presentado por Koelle en su artículo de 1975

Existen dos esquemas principales de receptor en las comunicaciones de captación de energía de RF: conmutación temporal (TS) y división de potencia (PS). TS es un sistema semidúplex que requiere una sincronización estricta. En TS, el receptor conmuta entre dos estados, EH o ID. Al captar energía, el receptor no puede decodificar información y viceversa. El tiempo de transmisión se divide entre ID y EH.

, el receptor decodifica información durante 

y capta energía durante

. El tiempo total de transmisión es 

, W es el ancho de banda físico, es la eficiencia de conversión del circuito rectificador, ℎ es la matriz del canal y es el ruido del sistema. La relación energía-tasa (E-R) de TS se presenta a continuación [17].  

En la PS, el receptor divide la potencia entre el decodificador de información y el recolector de energía. La señal se divide según la relación de división de potencia (p para ID) y el 1-p % para la recolección de energía,  

. La PS puede utilizar los transmisores heredados, ya que no requiere componentes ni circuitos adicionales en el transmisor. La región E-R de la PS se puede expresar de la siguiente manera [18].

, un receptor de captación de energía de RF debe ser capaz de convertir la potencia de RF recibida en energía eléctrica

, se requieren tres componentes principales en un receptor de captación de energía de RF: antena y red de adaptación, multiplicador de carga y depósito de energia 

. La red de adaptación de impedancia evita que la potencia de RF recibida se refleje de vuelta a la antena

organizacion articulo

la segunda sección presenta una breve descripción general de la energía solar; 

la tercera, la energía de radiofrecuencia; 

la cuarta, la integración de la energía solar en redes de sensores inalámbricos (WSN) alimentadas por radiofrecuencia; 

y la quinta, el diseño del transmisor propuesto. 

la sexta sección concluye el artículo