Revision: A Safe Charging Algorithm Based on Multiple Mobile Chargers

El artículo trata sobre la dificultad de mantener la energía en las redes de sensores inalámbricos (WSN) debido a la limitación de la capacidad de batería de los nodos, especialmente cuando están desplegados en lugares difíciles de acceder, como áreas exteriores o cuerpos de agua. El desafío es cómo extender la vida útil de estas redes sin tener que reemplazar las baterías constantemente, lo cual no es práctico.

Aplicaciones:

• Energía inalámbrica y recarga de nodos sensores en redes IoT (Internet of Things).

• Uso de cargadores móviles para mantener la eficiencia energética de las redes de sensores.

• Aplicaciones en entornos donde la recarga de baterías no es posible de manera convencional, como zonas remotas o inaccesibles.

Dificultades/Limitaciones:

• La dificultad de recargar los nodos sensores de manera eficiente sin comprometer la seguridad radiológica.

• La complejidad en la optimización de la eficiencia de la recarga debido a la movilidad de los cargadores y las limitaciones de las fuentes de energía.

• La necesidad de garantizar que la radiación electromagnética (EMR) se mantenga por debajo de los límites seguros para evitar riesgos para la salud.

Estructura del sistema:

• Cargadores móviles: Robots equipados con cargadores que se desplazan para recargar los nodos sensores. 

  Cuando los cargadores comienzan a cargar en una posición determinada, giran en el centro de su posición actual. Una vez girado un ángulo fijo, el nodo sensor registra la intensidad de la señal correspondiente.
  
  

• Algoritmo SCBMC: Un algoritmo de carga segura basado en múltiples cargadores móviles, que considera la eficiencia energética y la seguridad radiológica.

• Modelo de propagación: Uso de la ecuación de transmisión de Friis para modelar cómo la energía se transmite desde los cargadores a los sensores.

Funcionamiento del sistema:

 el punto A es la ubicación del cargador y los cuatro anillos adyacentes son la cobertura de comunicación cuando las ganancias de la antena son 3 dB, 5 dB, 7 dB y 9 d

1. Localización de los nodos sensores: Utiliza el tiempo de carga y las ondas de antena para determinar la ubicación de los nodos sensores.

2. Cálculo de rutas de carga: El algoritmo utiliza el problema de vendedor viajero múltiple (MTSP) para optimizar las rutas de los cargadores móviles.

3. Cálculo de radiación: Se aseguran de que la radiación electromagnética se mantenga por debajo del umbral seguro mientras se realiza la recarga.

Parámetros obtenidos:

• Tiempo de retardo de carga: El tiempo que tarda un nodo en recibir carga desde la solicitud.

• Distancia recorrida por el cargador: La distancia que los cargadores móviles recorren para cargar los nodos.

• Número total de mensajes: La cantidad de mensajes intercambiados entre los cargadores y los nodos durante el proceso de carga.

Software que usa:

• Python 3.7: Utilizado para las simulaciones.

• Gurobi: Solucionador para el problema de vendedor viajero múltiple (MTSP).

• Bibliotecas: Matplotlib, numpy y pandas para la visualización y procesamiento de datos.

Resultados:

• El algoritmo SCBMC demuestra una mayor eficiencia en términos de tiempo de carga y distancia recorrida por los cargadores en comparación con otros algoritmos como SCWPT y SCAPE.

• SCBMC mantiene la radiación electromagnética dentro de los límites de seguridad, a diferencia de los otros algoritmos, que están más cerca del umbral de seguridad.

• A medida que aumenta el número de nodos sensores o cargadores, el SCBMC sigue siendo eficiente en comparación con las soluciones basadas en partición.

 

Los cargadores inalámbricos móviles: la mejor forma de cargar una red de sensores recargables inalámbricos

En el mundo actual, las redes de sensores inalámbricos recargables (WRSN, por sus siglas en inglés) juegan un papel crucial en la Internet de las cosas (IoT), especialmente en entornos donde es difícil o imposible cambiar baterías físicamente. Sin embargo, la recarga eficiente y segura de estos dispositivos es un gran desafío, especialmente cuando se utilizan tecnologías como Powercast.

El problema con la recarga tradicional en redes inalámbricas

En sistemas que usan tecnología Powercast, es común que los dispositivos recargables tengan que acercarse o ser posicionados cerca de su cargador inalámbrico — como el Powerspot o el TX91503ID — para cargar sus baterías. Esta estrategia, sin embargo, es poco viable en una red amplia de sensores inalámbricos.

¿Por qué? Porque estos sensores recargables a menudo tienen energía insuficiente para moverse o trasladarse, o su función requiere que permanezcan fijos en una posición determinada. Forzar a estos dispositivos a desplazarse hacia el cargador comprometería su utilidad y eficiencia.

La solución: cargadores móviles

La mejor alternativa es que sea el cargador inalámbrico quien se mueva, en lugar de los sensores. Por ello, se propone el uso de un robot móvil equipado con un cargador inalámbrico que calcule en tiempo real la ubicación de los sensores y gestione la recarga en función de la energía detectada mediante sensores de carga inalámbrica.

Este enfoque permite que la red mantenga operativos los sensores sin que estos tengan que desplazarse, maximizando la eficiencia y autonomía de la red.

Experimentación con módulos Powercast EH

Para experimentar con módulos de energía inalámbrica de Powercast, como el P2110B o P1110B, que utilizan tecnología SMS, es fundamental un diseño adecuado. La inexperiencia en el manejo de estos módulos puede llevar a errores en el diseño o en su implementación.

Para facilitar el desarrollo y la modificación, es recomendable diseñar una placa compatible con protoboard que permita la integración y pruebas de los nodos con facilidad. Además, cualquier antena en la banda de 915 MHz es apta para captar energía con transmisores Powercast, aunque la distancia efectiva de captación y la línea de vista pueden variar y deben considerarse, aplicando la Ley de Friis para estimar la potencia recibida en función de la distancia y las características de la antena.

Algoritmos para una recarga segura y eficiente

Existen varios algoritmos clave que controlan y optimizan la recarga inalámbrica en redes móviles para garantizar seguridad, eficiencia y mínimo impacto electromagnético:

SCBMC (Safe Charging Based on Multiple Mobile Chargers)

• Este algoritmo gestiona múltiples cargadores móviles que pueden encontrar y cargar los nodos sensores rápidamente utilizando el tiempo de carga y la forma de onda de la antena.

• Reduce la distancia de movimiento de los cargadores y optimiza la cobertura para reducir la exposición a radiación electromagnética.

• Aborda el problema del viajante múltiple para dividir la tarea de carga de manera equitativa entre los robots móviles.

SCWPT (Safe Charging for Wireless Power Transfer)

• Enfocado en un escenario estático donde la potencia de carga puede variar para evitar sobreexposición a radiación.

• Optimo para densidades altas de sensores, ajustando la potencia transmitida para mantener la seguridad.

SCAPE (Safe Charging with Adjustable Power)

• Similar al SCWPT pero con potencia fija.

• También garantiza la seguridad evitando que la radiación electromagnética exceda niveles seguros.

¿Cómo funcionan estos algoritmos?

Estos algoritmos segmentan el área de cobertura en zonas discretas para medir la radiación y calcular la mejor ruta y tiempo de carga para cada cargador móvil, asegurando que:

• La potencia transmitida y la distancia garantizan una carga eficiente.

• La radiación electromagnética total se mantiene por debajo de los niveles seguros recomendados (para evitar daños a la salud).

• Los cargadores móviles se mueven y distribuyen la carga de forma equilibrada para minimizar el tiempo total de recarga y la distancia recorrida.

• Se evita que los sensores sufran interrupciones por baja energía.

Beneficios del enfoque móvil

• Mayor autonomía: Los sensores permanecen en su lugar mientras el robot móvil se encarga de la recarga.

• Eficiencia energética: Se reduce el tiempo y la distancia de movimiento de los cargadores, optimizando el consumo.

• Seguridad: Se controla y minimiza la exposición a radiación electromagnética.

• Escalabilidad: Se puede expandir la red fácilmente con múltiples cargadores móviles coordinados.

Conclusión

Para redes de sensores recargables inalámbricos, la recarga tradicional mediante dispositivos fijos o sensores móviles es poco práctica. El uso de cargadores móviles inteligentes que calculan la ubicación y optimizan la recarga con algoritmos avanzados como SCBMC, SCWPT y SCAPE representa la solución más eficiente, segura y flexible. Esta innovación permite mantener redes de sensores funcionando por períodos prolongados sin intervención humana, esencial para aplicaciones en ambientes hostiles o de difícil acceso.

Para un entendimiento profundo, te invitamos a revisar el paper original y experimentar con módulos Powercast, antenas 915 MHz y placas compatibles para protoboard, explorando la interacción entre la energía transmitida, la distancia y la seguridad radiativa.