Revision: Radio Frequency Based Wireless Charging for Unsupervised Clustered WSN: System Implementation and Experimental Evaluation

 

Propuestas

 utilizar vehículos terrestres no tripulados (UGV) como CH. Estos UGV equipados con un cargador inalámbrico y una batería potente se envían a cada clúster para cargar las SN. Además, los UGV tienen microcontroladores y módulos de comunicación, y por lo tanto son capaces de cargar simultáneamente los nodos y recibir los datos detectados que son transmitidos por las SN.

Secciones

la Sección 2 presenta el trabajo relacionado. 

La Sección 3 presenta los antecedentes y detalles técnicos de la tecnología RF-WC. 

La Sección 4 presenta la configuración experimental y los resultados obtenidos.

 La Sección 5 analiza los desafíos prácticos de los experimentos.

 La Sección 6 presenta un caso práctico de WC en el contexto de WSN

Voltaje:

• Se menciona que el voltaje de salida para la carga se encuentra en torno a 3.3 V. Este es el voltaje máximo alcanzado por el circuito amplificador de voltaje en la configuración experimental.

• El voltaje se genera cuando el capacitor conectado al sistema de recolección de energía alcanza un umbral de 1.2 V. Una vez alcanzado este voltaje, el sistema puede generar el pulso de salida de 3.3 V.

Potencia:

• El artículo menciona que la potencia recibida en las antenas depende de la distancia entre el transmisor y el receptor. A medida que la distancia aumenta, la potencia recibida disminuye debido a la atenuación de la señal.

• Se presenta un cálculo teórico usando la Ecuación de Friis para estimar la potencia recibida. La potencia transferida en el punto de máxima eficiencia depende de la antena utilizada y la distancia entre las dos.

• Para distancias de hasta 6 metros, la potencia recibida fue medida experimentalmente con antenas dipolo y antenas parche, con un rendimiento significativamente mejor usando las antenas parche.

Distancia:

• El estudio realizó pruebas a varias distancias, incluyendo distancias de hasta 12 metros. A medida que la distancia aumenta, la potencia recibida disminuye, lo que hace que el proceso de carga sea más lento.

• A 1.6 metros, la potencia recibida fue suficiente para cargar dispositivos pequeños como IoT (con 135 µW de potencia), y a 6 metros, la carga fue significativamente más lenta, alcanzando tiempos de carga de hasta 15 horas para capacitores de 1F utilizando antenas parche.

• En el caso de distancias mayores (hasta 12 metros), el tiempo de carga aumentó debido a la menor intensidad de la señal y la mayor atenuación.

Posibilidad Teórica de Trabajo:

• Teóricamente, la distancia máxima para una transferencia eficiente de energía utilizando este sistema es limitada a unos pocos metros, debido a la pérdida de potencia con la distancia. Sin embargo, este tipo de transferencia de energía es viable a distancias más cercanas, como 6 metros con antenas adecuadas, como las antenas parche.

• El artículo muestra que a 6 metros es factible, aunque la eficiencia disminuye con el aumento de la distancia.

• Utilizando el modelo de propagación libre para distancias más cortas (menos de 6 metros), el sistema se aproxima al comportamiento teórico, lo que hace viable la recolección de energía de manera efectiva en ese rango de distancia.

teoria

Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT):
Se aborda la tecnología de carga inalámbrica usando ondas de radiofrecuencia (RF). Este tipo de WPT utiliza ondas electromagnéticas para transferir energía desde una estación de carga a un receptor sin necesidad de cables. La eficiencia de esta transferencia depende de la distancia, la ganancia de las antenas y el modelo de propagación de las ondas, como el modelo de espacio libre o de dos rayos.

Primero, la estación de carga convierte la energía de CC en ondas de radiofrecuencia para su transmisión. En segundo lugar, la onda electromagnética generada se propaga en el espacio libre. En tercer lugar, el circuito de captación de energía recibe la onda de radio emitida y la convierte de nuevo en energía eléctrica de CC, que puede utilizarse para cargar una batería o para operar dispositivos sin batería.

Recolección de Energía por RF (RF-EH):
Se presenta cómo la energía RF puede ser cosechada para alimentar nodos en redes de sensores inalámbricos (WSNs). La recolección de energía RF implica convertir las ondas electromagnéticas transmitidas en energía eléctrica que puede alimentar dispositivos pequeños o sensores.

Modelos de Propagación de Ondas:
Para estimar la cantidad de energía que se puede recibir en un receptor a partir de una estación de carga, el artículo discute modelos como el modelo de propagación de espacio libre y el modelo de dos rayos. Estos modelos ayudan a predecir la cantidad de energía que se puede cosechar dependiendo de la distancia y la altura de las antenas.

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT):
Este concepto es esencial para los sistemas de WSNs avanzados, ya que permite la transmisión simultánea de datos y energía, utilizando la misma frecuencia de radio. Esto facilita la mejora en la eficiencia de los sistemas de WPT.

Algoritmos de Clustering para WSN:
El uso de algoritmos de aprendizaje automático no supervisado como K-means para agrupar nodos en clusters dentro de una Red de Sensores Inalámbricos (WSN) es crucial para optimizar la localización de estaciones de carga y mejorar la eficiencia energética. Los Cluster Heads (CH), ubicados en los centros de los clusters, se proponen como estaciones de carga móviles para los nodos de los sensores.

Desafíos en la Carga Inalámbrica en WSN:
Se discuten desafíos técnicos como la interferencia entre las señales de transmisión de datos y las señales de carga, así como la atenuación de la señal causada por obstáculos físicos, lo cual afecta la eficiencia de la transferencia de energía.

Impacto del Tipo de Antena y la Distancia en la Carga:
El artículo evalúa cómo diferentes tipos de antenas (como dipolos y parches) afectan la eficiencia de la recolección de energía. Además, se analiza cómo la distancia entre la estación de carga y el receptor impacta en la duración y eficiencia del proceso de carga.

Uso de Supercondensadores:
Se experimenta con supercondensadores para almacenar energía cosechada. Los supercondensadores se utilizan para almacenar grandes cantidades de energía y son especialmente útiles en dispositivos de baja potencia, como los sensores en WSN.

estado del arte

[16] Tuvo un modelo que incluyó sensores con receptores de energía, un cargador móvil inalámbrico y una estación de energía que gestiona la carga.
👉 Aporta un marco práctico para extender la vida útil de la red mediante carga móvil y simulaciones a gran escala para evaluar eficiencia energética y enrutamiento.

[17] Usó ondas de TV para cargar sensores con recolección de RF y un ciclo de trabajo adaptativo.
👉 Demuestra que la EH basada en RF puede ser útil para aplicaciones de bajo consumo, incluso en ausencia de luz solar, destacando su bajo costo y simplicidad.

[18] Estudió la transferencia simultánea de energía e información (SWIPT) en sistemas OFDM de dos saltos.
👉 Propuso una optimización de recursos (RA) que mejora la tasa de datos del sistema y demuestra que la recolección de energía puede coexistir con la transmisión de datos.

[19] Analizó la interferencia de transmisores de energía en la misma banda que los de datos.
👉 Mostró la viabilidad del uso de bandas múltiples y separación de frecuencias para mejorar el rendimiento global del sistema de recolección de energía RF.

[20] Implementó Powercast con algoritmos de optimización basados en colonia de hormigas.
👉 Optimiza la gestión de energía recolectada para alargar la vida de redes WSN con o sin baterías.

[21] Propuso un esquema de colocación óptima de cargadores con dos algoritmos aproximados.
👉 Permite satisfacer requerimientos energéticos individuales minimizando el número de cargadores, probado mediante simulaciones numéricas.

[22] Presentó un sistema en chip con modelo de gestión de energía usando comunicación de radio de bajo consumo.
👉 Aporta soluciones completas de despliegue para EH en sistemas inalámbricos con bajo consumo energético.

[23] Introdujo el esquema de clustering "Distance Energy Evaluated (DEE)".
👉 Reduce el consumo energético en enrutamiento y balanceo de carga, aumentando la confiabilidad y duración de la red.

[24] Propuso un sistema donde algunos nodos móviles recargan a los fijos.
👉 Demostró que la movilidad bien gestionada mejora la sostenibilidad y vida útil de la red si el ritmo de recolección de energía es suficiente.

[25] Diseñó un cargador móvil inalámbrico direccional con esquema MAC basado en ejes mediales.
👉 Permite una carga eficiente de áreas usando algoritmos de particionamiento y movimiento que reducen el tiempo de carga.

[26] Propuso el método Energy Stimulated Time Sync (ESTS) sin intercambio de timestamp.
👉 Mejora la sincronización y reduce el consumo energético en redes con EH, usando tonos de RF cortos y demostrando precisión de 5 ms.

[27] Realizó estudios de campo con transmisores comerciales (Powercast).
👉 Validó que es posible recolectar desde µW hasta mW a distancias variables, siendo suficiente para cargar dispositivos IoT pequeños.

[28] Presentó una arquitectura autosostenible basada en estaciones base con EH y cargadores móviles.
👉 Maximiza la vida útil de la red considerando la eficiencia energética y el costo de despliegu