Revision: Strategies and Techniques for Powering Wireless Sensor Nodes through Energy Harvesting and Wireless Power Transfer

 funcionamiento

La plataforma SoC se basa en un dispositivo que integra un transductor de energía RF a CC de alto rendimiento y amplio ancho de banda (350 MHz–2,4 GHz), con una sensibilidad de -18,8 dBm a 900 MHz, una eficiencia energética máxima del 45 % a 900 MHz con una potencia de entrada de -10 dBm y un demodulador ASK/FSK preciso con un índice de modulación tan bajo como 10 % y una sensibilidad de -38 dBm

la gestión de potencia ultrabaja es el circuito clave para recuperar la energía con un circuito de nanopotencia cuya corriente de reposo es de tan solo 75 nA

distribucion

La Sección 2 analiza en profundidad los trabajos previos sobre redes de sensores de redes (WSN), muestra los problemas a los que se han enfrentado los investigadores hasta la fecha y ofrece motivaciones para los problemas que aún deben resolverse. 

En la Sección 3, se explican los detalles de la plataforma. Esta sección profundiza en los detalles del SoC, mostrando su rendimiento de vanguardia , su arquitectura específica y sus características clave.

 Sección 4 muestra cómo las características originales del SoC facilitan la configuración de diferentes casos de uso que reportan resultados de simulaciones y experimentos. 

Específicamente, en la Sección 4.1, se describe cómo anular el consumo en espera con WPT. En particular, se explica cómo la arquitectura del SoC, con sus características clave únicas y el rendimiento avanzado de su circuitería, logra la activación de un nodo inalámbrico específico y completamente apagado. Se describirá cómo el alto rendimiento de la gestión de nanopotencia y la baja sensibilidad a la potencia del convertidor de RF a CC permiten la activación re

mota de un dispositivo apagado a una distancia de 8 metros, y cómo la arquitectura del SoC, que combina el circuito lógico programable, el receptor ASK/FSK y el convertidor de CC/CC, puede seleccionar un nodo específico para su activación . 

En la Sección 4.2, Cargador de batería inalámbrico basado en WPT, se analiza el caso de uso de un cargador de batería inalámbrico a distancia para mostrar cómo el alto PCE del convertidor de RF a CC puede lograr eficazmente una WPT conveniente y eficiente.

 También se explica una característica interesante que muestra cómo el SoC puede controlarse remotamente para cambiar fácilmente entre diferentes casos de uso sin modificar la placa ni componentes externos adicionales.

 Finalmente, en la Sección 4.3, sobre la alimentación de dispositivos sin batería con WPT, el artículo muestra cómo usar el SoC en sistemas sin batería de configuración automática donde se dispone de diferentes fuentes de energía, como la RF o la fotovoltaica. También se demuestra cómo el alto rendimiento de los circuitos internos de nanopotencia ofrece la ventaja, en comparación con las soluciones existentes, de utilizar dispositivos pequeños y de bajo coste; cómo la integración del convertidor de RF a CC evita el uso de diodos externos, lo que resulta en una solución compacta; y cómo el SoC permite la multifuente tanto para EH como para WPT

Tanto el transmisor de potencia como el recolector de energía de RF están equipados con la antena Revie Pro, proporcionada por Laird [59]. A una distancia de 170 cm, la corriente media medida fue de aproximadamente 20 µA y la batería tardó 30 minutos en cargarse de 1,6 V a 2,1 V. 

estregias propuestas

Estrategias y Técnicas de WPT RF Propuestas

1. Desactivación total del sistema y encendido remoto (Wake-up)

   • Desactivar completamente los nodos para eliminar el consumo en standby y activarlos mediante WPT RF cuando se requiera.

2. Uso de SoC con convertidor RF–DC de alta sensibilidad

   • Integración de un transductor RF–DC con sensibilidad de hasta −18.8 dBm para captar energía a largas distancias (hasta 8 m @ 900 MHz).

3. Receptor ASK/FSK integrado para direccionamiento específico

   • Permite activar remotamente un nodo específico usando identificación por dirección en la señal RF.

4. Integración de máquina de estados finita asincrónica (FSM)

   • Mantiene el nodo activo con energía de batería incluso después de que desaparezca la señal RF.

5. Carga inalámbrica de baterías por RF

   • Uso de WPT para recargar baterías a distancia, minimizando costos de mantenimiento por reemplazo.

6. Optimización de la eficiencia de conversión (PCE)

   • Uso de técnicas como diseño de antenas de alta ganancia y adaptación de impedancia para mejorar la eficiencia del convertidor RF–DC.

7. Conmutación dinámica de modos de operación mediante RF

   • Capacidad de cambiar entre modos (p. ej., wake-up o carga de batería) enviando comandos a través de la señal modulada.

8. Alimentación de dispositivos sin batería (“set-and-forget”)

   • Funcionamiento autónomo usando solo la energía recolectada por RF, eliminando totalmente la necesidad de baterías.

9. Control del ciclo de trabajo mediante circuito de gestión de energía

   • Uso inteligente del voltaje del capacitor de almacenamiento para optimizar el tiempo de actividad y recolección de energía.

10. Uso combinado con otras fuentes de energía (multi-source EH)

    • Complemento de la energía RF con otras fuentes como solar o térmica para una operación más robusta.

11. Diseño de antenas circularmente polarizadas de alta ganancia

    • Mejora del acoplamiento y eficiencia en la recepción de energía RF.

12. Implementación de almacenamiento en capacitor Cstorage

    • Empleo de capacitores de baja fuga para acumular energía y alimentar al nodo en ráfagas controladas.

13. Técnicas de optimización del diseño del canal de transmisión

    • Aprovechamiento de fenómenos como el fading y la diversidad en transmisión para mejorar la eficiencia del enlace RF–DC.

estado del artes

[20]: Expone cómo los nodos inalámbricos han evolucionado para incluir capacidades de sensado y cómputo, lo cual exige mayor consumo energético.

[21]: Menciona el uso creciente de Bluetooth Low Energy (BLE) como tecnología de bajo consumo para redes inalámbricas industriales.

[22,23]: Indican el uso de perfiles industriales basados en el estándar IEEE 802.15.4 como alternativa en WSN.

[24]: Aborda el soporte de comunicaciones en tiempo real sobre redes BLE tipo estrella.

[25]: Se centra en las comunicaciones en redes BLE tipo malla multi-salto para IoT industrial.

[26,27]: Resaltan la necesidad de tecnologías de sensores que permitan un despliegue masivo, de bajo costo y fácil mantenimiento.

[28,29]: Proponen el uso de recolección de energía (EH) y transferencia inalámbrica de energía (WPT) como solución energética en IoT.

[30]: Presenta sensores de bajo ciclo de trabajo como candidatos para funcionar sin batería.

[31]: Muestra arquitecturas de medición que pueden operar sin baterías.

[32]: Describe un caso exitoso de sensores embebidos en estructuras de concreto que operan sin baterías mediante WPT.

[33]: Ejemplifica con dispositivos de peaje (DSRC), donde la batería alimenta los circuitos mientras la comunicación usa retrodispersión.

[34,35]: Indican que antenas circularmente polarizadas pueden mejorar la directividad y alcance, pero no reducen el consumo.

[36–40]: Analizan estrategias para reducir o eliminar el consumo de energía en modo espera, prolongando la vida útil de la batería.

[41]: Señala que los circuitos de gestión de energía en espera pueden consumir gran parte de la batería según el ciclo de trabajo.

[37]: Sostiene que eliminar el consumo en espera puede permitir el uso de baterías más pequeñas, reduciendo costos y tamaño.

[42]: Propone la carga inalámbrica RF como solución para mantener nodos sin necesidad de reemplazo de batería.

[43]: Refuerza el concepto de sensores sin batería, tipo "configurar y olvidar", eliminando la necesidad de mantenimiento.

[44]: Enfatiza que sensores sin batería son más eficientes, reutilizables y económicos a largo plazo.

[45]: Presenta un SoC que recolecta 19 µW para sensores corporales sin batería.

[46]: Describe un sistema con celdas solares y batería para operación casi perpetua midiendo presión intraocular.

[47]: Muestra un SoC autoalimentado de múltiples fuentes (solar y TEG) con 6.45 µW para recolección energética.

[48]: Presenta un chip desarrollado para recolectar energía de luz artificial.