Revision: Understanding the Impact of Environmental Conditions on Zero-Power Internet of Things: An Experimental Evaluation

 Este artículo cubre cómo las condiciones ambientales afectan su rendimiento en el mundo real del FF WPT

Problemas: Contaminacion RF y baterias

contribuciones específicas: • Hasta donde sabemos, este es el primer estudio experimental exhaustivo que investiga la WPT de campo lejano en diferentes condiciones ambientales, incluida la propagación en línea de visión (LOS), interferencias por trayectos múltiples, materiales de construcción y medios no aéreos.

 proporciona respuestas ¿cuál es la distancia máxima a la que puede funcionar el sistema de alimentación inalámbrica comercial líder Powercast en un escenario LOS?; 

(ii) ¿cómo afecta la propagación por trayectos múltiples a la potencia recibida y al intervalo entre paquetes de dispositivos IoT sin batería?; 

(iii) ¿cómo interactúa la WPT de campo lejano con materiales típicos (muebles de madera, paredes de hormigón y ventanas de vidrio) en un entorno interior?; 

 (iv) ¿qué tan bien puede la WPT de campo lejano soportar aplicaciones a través de medios como el suelo o el agua?

A. Propagación en Línea de Vista (Line-of-Sight - LOS)

1. Configuración Experimental:

   • Se realizó el primer experimento en un campo de fútbol para examinar la distancia máxima de transferencia de energía con propagación en línea de vista.

   • Se colocaron el transmisor de energía y el dispositivo sin batería sobre dos estantes separados a una altura de 1 metro.

   • El dispositivo sin batería se movió a diferentes distancias hasta que no pudo enviar paquetes durante 30 minutos.

2. Resultados de Observación:

   • Se utilizó tanto el transmisor TX91501B como el TX91503.

   • Los resultados mostraron que la potencia recibida (RSSI) disminuye exponencialmente con la distancia, y el intervalo de paquetes muestra una tendencia opuesta (a medida que aumenta la distancia, disminuye la frecuencia de transmisión de paquetes).

   • El sistema Powercast permitió una distancia de carga de hasta 16 metros con una antena de parche y 6 metros con una antena dipolo.

3. Explicación Teórica:

   • La relación entre la potencia recibida y la distancia de propagación sigue la ecuación de transmisión de Friis, que muestra que la potencia disminuye exponencialmente con la distancia.

   • Una mayor ganancia de antena mejora la señal recibida, y el patrón de haz influye en la densidad de potencia y el área de cobertura.

B. Propagación Multipath

1. Configuración Experimental:

   • El segundo experimento se realizó en un pasillo para generar efectos de propagación multipath (múltiples trayectorias de señal debido a reflexiones).

   • Se usaron diferentes antenas receptoras y transmisores de energía para investigar el impacto de la propagación multipath.

2. Resultados de Observación:

   • Se observó que la distancia operativa máxima se incrementó significativamente, permitiendo que una antena dipolo recibiera suficiente energía para activar el dispositivo sin batería a 40 metros con el TX91501B y 15 metros con el TX91503.

   • Sin embargo, la mejora no fue estable debido a fluctuaciones en la densidad de energía y la aparición de "agujeros de energía" en la zona de reflexión.

3. Explicación Teórica:

   • La interferencia de multipath provoca que las ondas reflejadas se sumen o resten a la onda principal, lo que genera interferencia constructiva o destructiva, lo que puede aumentar o disminuir la potencia recibida.

C. Características de Penetración y Reflexión

1. Configuración Experimental:

   • Este experimento investigó cómo los materiales comunes de construcción afectan la penetración y reflexión de señales de energía inalámbrica.

   • Se utilizaron materiales como madera, concreto y vidrio para medir el desempeño del sistema.

2. Resultados de Observación:

   • La señal de 915 MHz pudo penetrar madera y concreto, pero el vidrio bloqueó en gran medida la señal, haciendo que el dispositivo fuera incapaz de activarse a través de una ventana de vidrio.

   • Sorprendentemente, el punto de acceso recibió paquetes de un dispositivo colocado detrás de un transmisor debido a las señales reflejadas en el ambiente.

3. Explicación Teórica:

   • Los diferentes materiales afectan la propagación de la señal de acuerdo con su capacidad para reflejar, absorber o transmitir las ondas electromagnéticas, lo que se conoce como efecto de reflexión y penetración.

1. esultados de Observación:

   • Se realizaron mediciones de reflexión con varios materiales, con distancias que iban de 1 a 5 metros.

   • Se observó que todos los materiales probados reflejaban parte de la señal de energía, lo que permitía una carga de retroalimentación (back charging) incluso a 5 metros de distancia.

2. Explicación Teórica:

   • Los mecanismos de propagación de señales RF incluyen penetración, reflexión, dispersión y difracción.

   • La reacción depende del tamaño del objeto, la longitud de onda de la radio, la intensidad de la señal y la distancia entre el transmisor y el objeto. En este caso, la longitud de onda de una señal de 915 MHz es aproximadamente 33 cm, lo que permite la transferencia de energía inalámbrica fuera de línea de vista gracias a la penetración y reflexión de la señal.

   • Se destacó que una antena direccional no siempre es beneficiosa, especialmente en escenarios con mucha reflexión, ya que la energía reflejada podría llegar desde todas direcciones.

D. Transferencia de Energía Inalámbrica sobre Medios No Aéreos

1. Configuración Experimental:

   • Este experimento tenía como objetivo investigar la transferencia de energía inalámbrica sobre suelo y agua.

   • Se colocó un dispositivo sin batería con antena de parche o dipolo en un recipiente de vidrio lleno de suelo para macetas o agua, y se midió el rendimiento usando los transmisores de energía TX91501B y TX91503.

   • La profundidad del medio era de 10 a 20 cm, con el transmisor de energía colocado a 30 cm sobre la superficie del medio.

2. Resultados de Observación:

   • Suelo para macetas: Los resultados de la RSSI y el intervalo de paquetes mostraron que el suelo es compatible con la transferencia de energía inalámbrica, con resultados cercanos a los valores de referencia.

   • Agua: En el caso del agua, se observó una caída significativa en la potencia recibida, pero aún se lograba transmitir paquetes en promedio cada 17 segundos y 34 segundos con profundidades de 10 y 20 cm, respectivamente, usando las antenas de parche con los transmisores TX91501B y TX91503.

   • Sin embargo, no se pudo obtener rendimiento con antena dipolo a mayor profundidad de agua, lo que refleja las limitaciones de ciertos tipos de antenas en medios con alta atenuación como el agua.

3. Explicación Teórica:

• El rendimiento de la transferencia de energía inalámbrica sobre el suelo está influenciado por el tipo de suelo, su saturación y la frecuencia de operación del transmisor de energía.

• La atenuación de las señales sobre el suelo es más baja en suelos secos y menos densos, como el suelo para macetas, en comparación con suelos más densos como el barro o la grava.

• En cuanto al agua, aunque es conocido que el agua causa atenuación electromagnética, aún hay mucho por investigar sobre los procesos microscópicos de la atenuación en este medio.

trabajos futuros

Perspectivas y Nuevas Direcciones de Investigación

A partir de los resultados experimentales, se identifican algunas áreas clave para futuras investigaciones:

1. Control de Polarización del Campo Eléctrico para Transferencia de Energía y Sensores a Larga Distancia:

   • Los resultados experimentales muestran que el sistema comercial actual solo puede lograr una distancia máxima de carga directa de 16 metros. Además, la transferencia de energía inalámbrica y el sensado inalámbrico son tendencias emergentes que podrían generar un trade-off entre el rendimiento de la energía y la capacidad de sensado.

   • La investigación sobre el control de la polarización cruzada podría mejorar el alcance de los dispositivos IoT sin batería y mitigar el desorden electromagnético, lo que es clave para futuras implementaciones.

2. Manejo de Agujeros de Energía con Superficies Inteligentes Reflectantes (IRS):

   • Se identificaron agujeros de energía debido a las fluctuaciones en la densidad de energía causadas por las condiciones ambientales, lo que genera problemas en redes de malla y conexiones punto a punto.

   • El uso de superficies reflectantes inteligentes (IRS) puede ser una solución, permitiendo ajustar los señales de potencia de manera programable para mejorar la cobertura y mitigar estos agujeros de energía.

3. Transferencia Concurrente de Energía Inalámbrica a Larga Distancia:

   • En el estudio actual se analizó un escenario básico con un cargador y un dispositivo sin batería. Sin embargo, en escenarios reales se manejarán múltiples dispositivos y cargadores simultáneamente, lo que podría generar interferencias entre ellos.

   • La investigación sobre modelos de potencia, ubicación de dispositivos y planificación de horarios para la transferencia concurrente de energía será clave para el futuro de la WPT en entornos más complejos.

teoria

 Internet de las cosas de consumo cero (ZP-IoT) 

WPT y su potencial 

Transmisores de energía inalámbrica RF:

• TX91501B:

  • Banda de frecuencia: 915 MHz (banda ISM)

  • Modulación: DSSS (secúencias directas de espectro expandido)

  • Ganancia: 8 dBi

  • Patrón de haz vertical: 60°

  • Potencia máxima irradiada isotrópica efectiva (EIRP): 3 W

• PowerSpot TX91503:

  • Potencia de salida: 3 W EIRP

  • Patrón de haz: Polarización horizontal con 70° de ancho

  • Características adicionales: Detención adaptativa de la transmisión de energía cuando los dispositivos emparejados no están presentes

  • Control: Aplicación móvil para programación y monitoreo

Antenas receptoras:

• Antena de parche PA-915-01 (Powercast):

  • Patrón de energía: 122° horizontal y 68° vertical

  • Ganancia: 6.8 dBi

  • Tipo: Direccional

• Antena dipolo DA-915-01 (Powercast):

  • Ganancia: 1 dBi

  • Patrón de energía: Omnidireccional

Tableros de evaluación:

• Powercast P2110-EVB:

  • Conector SMA (SubMiniature version A) para entrada de energía

  • Módulo de recolección de energía de 915 MHz

  • Condensadores de almacenamiento: 1000 µF, 50 mF, o valor instalado por el usuario

  • Salida de voltaje regulado: ajustable entre 2 V y 5.5 V

  • Conector para unir el dispositivo IoT sin batería

  • Ejemplo de dispositivo: WSN-EVAL-01 (tabla de sensores inalámbricos)

• Powercast P21XXCSR-EVB:

  • Mayor sensibilidad

  • 6 bandas de frecuencia de operación

Emuladores de terminal:

• WSN-AP-01: Punto de acceso para transmitir datos del nodo WSN-EVAL-01

• PC o aplicación móvil PowerSpot:

  • Monitoreo del estado de carga (voltaje de la batería, corriente de carga, RSSI)

  • Programación del transmisor PowerSpot TX91503

Principio de funcionamiento:

• Condensador de almacenamiento (50 mF):

  • Cuando la tensión alcanza el umbral de activación (1.25 V), la tensión de salida en DC alcanza el voltaje de operación (3.3 V) del dispositivo IoT sin batería

  • El dispositivo se activa para medir y reportar datos usando radio compatible con 802.15.4

metodologia

Los hallazgos mencionados anteriormente se obtuvieron utilizando los kits de desarrollo de energía inalámbrica Powercast de vanguardia.

Primer experimento - Propagación en línea de vista (LOS):

• Se realizó en un campo de fútbol para medir la distancia máxima de transferencia de energía con propagación en línea de vista.

• Se colocaron el transmisor de energía y el dispositivo sin batería en estantes separados a 1 metro de altura y se variaron las distancias hasta que el dispositivo ya no pudo recibir señales.

Segundo experimento - Propagación multipath:

• Se repitió el experimento en un pasillo para simular la propagación multipath (señales reflejadas).

• Se utilizaron diferentes antenas receptoras y transmisores para medir cómo las reflexiones de las señales afectaban la transferencia de energía.

Tercer experimento - Penetración y reflexión a través de materiales:

• Se realizaron mediciones con materiales comunes como madera, concreto y vidrio para estudiar cómo estos afectaban la penetración y reflexión de las señales.

• Se observaron las diferencias en la capacidad de los materiales para permitir la transferencia de energía.

Cuarto experimento - Transferencia de energía inalámbrica sobre medios no aéreos:

• Se probó la transferencia de energía a través de suelo para macetas y agua utilizando un dispositivo sin batería dentro de un recipiente de vidrio.

• Se midió el rendimiento con transmisores TX91501B y TX91503 y se comparó el comportamiento con los medios de referencia. 

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teoria

Se producen diferentes mecanismos de propagación cuando una señal de radiofrecuencia incide en un objeto, como la penetración, la reflexión, la dispersión y la difracción. La reacción depende del tamaño atómico del objeto, la longitud de onda de radio, la intensidad de la energía y la distancia entre el transmisor y el objeto. Cuanto mayor sea la longitud de onda de una onda de radio, más fácil será su paso a través de una superficie. En este caso, la longitud de onda de una onda de radio de 915 MHz es de aproximadamente 33 centímetros, lo que permite la alimentación inalámbrica y la carga inversa sin línea de visión directa mediante la penetración y la reflexión. Cabe mencionar que una antena direccional no siempre es beneficiosa, especialmente en escenarios con alta reflexión, ya que la señal de energía podría provenir de todas las direcciones. Este hallazgo también es una posible explicación del intervalo entre paquetes tan largo en la esquina superior izquierda de la segunda sección de la Fig. 4(

estado del arte 

En [4], se analiza cómo minimizar el consumo de energía de los transmisores de energía inalámbrica dedicados para mantener vivos los dispositivos IoT, mostrando que la carga por división de haz es más eficiente que la carga por tiempo compartido.

En [6], se aborda la carga inalámbrica a larga distancia, implementando un sistema que permite que los dispositivos IoT operen a 50 metros, con importantes lecciones sobre la forma ideal del haz (Gaussiano) y la eficiencia de la transferencia mediante un enfoque analógico.

En [7], se investiga el concepto de Transferencia Simultánea de Información y Energía Inalámbrica (SWIPT), descubriendo que un menor tasa de datos favorece la recolección de energía, lo que implica un trade-off entre eficiencia de transferencia y tasa de datos.

En [8], se evalúa el tiempo de carga usando diferentes técnicas de modulación, mostrando que la modulación por clave de amplitud (ASK) tiene la velocidad de carga más rápida, mientras que [9] demuestra que las modulaciones PSK y QAM superan a las ondas multisinusoidales en eficiencia.

5. En [10], se presentó el diseño de un sistema para monitoreo en tiempo real dentro de una cabina de Airbus A330 utilizando el sistema Powercast, demostrando que los efectos de sombra y desvanecimiento a pequeña escala afectan la potencia recibida en comparación con los valores teóricos.

6. En [2], se exploró la viabilidad de la transferencia de energía inalámbrica (WPT) en el sector agrícola, demostrando que las condiciones microclimáticas y meteorológicas no son factores dominantes en la variación de la energía transferida.

7. En cuanto a los hallazgos nuevos, se destaca que el sistema Powercast de COTS permite una transferencia de energía de hasta 16 metros en condiciones normales utilizando la antena direccional, mientras que el nuevo transmisor PowerSpot TX91503 presenta una densidad de potencia inferior al TX91501B debido a su diseño para cargas múltiples en escenarios domésticos.

8. La interferencia constructiva durante la propagación multipath puede mejorar significativamente el rango de operación, permitiendo una distancia de más de 40 metros en condiciones tanto con antena de parche como dipolo, aunque se observan "agujeros de energía" cuando se utiliza la antena dipolo o el TX91503 como fuente de energía.

9. Las mediciones de la transferencia de energía inalámbrica a través de materiales como madera, concreto y vidrio mostraron que una señal de 915 MHz apenas penetra el vidrio, pero puede activar un dispositivo ZP-IoT hasta a 5 metros gracias a las señales reflejadas.

10. El suelo para macetas se ha identificado como un medio amigable con la WPT basada en RF, y aunque hay una atenuación significativa en el agua, el sistema Powercast puede proporcionar un rango de carga de entre 10 y 20 centímetros en dicho medio.