UAV Remotely-Powered Underground IoT for Soil Monitoring

 El artículo menciona conceptos relacionados y complementarios a EH (Energy Harvesting) y WPT (Wireless Power Transfer) como:

1. RF Energy Harvesting: La recolección de energía de radiofrecuencia para alimentar dispositivos IoT sin necesidad de baterías ni componentes sobre el suelo. En este caso, se usa energía RF para cargar nodos subterráneos de IoT.

2. UAV (Unmanned Aerial Vehicle): Un vehículo aéreo no tripulado que actúa como fuente de energía para cargar los nodos subterráneos a través de transmisión de RF.

3. MIMO (Multiple Input, Multiple Output): Aunque no se menciona directamente, el principio de comunicación eficiente y de largo alcance usando RF puede implicar técnicas de MIMO en aplicaciones avanzadas.

4. Control de energía en dispositivos IoT: El uso de circuitos dedicados para gestionar la energía recolectada de forma eficiente, incluyendo el arranque de los nodos y su control de energía durante la operación.

5. ZigBee: Un protocolo de comunicación utilizado por los nodos subterráneos para transmitir los datos recolectados hacia el UAV.

Componentes del sistema:

El sistema se compone de los siguientes elementos:

• Nodo RF-UIoT: Un sensor subterráneo que recoge parámetros del suelo como humedad, pH, etc., sin necesidad de batería ni componentes externos (panel solar).

• UAV con transmisor RF: Vehículo aéreo no tripulado que transmite energía en la banda UHF (915 MHz) a los nodos subterráneos.

• Circuitos de gestión de energía: Incluyen los circuitos de arranque, conducción y gestión de energía para garantizar el funcionamiento fiable de los nodos con energía de RF.

• Capacitores: Usados como almacenamiento de energía para los nodos, con un valor de 1 mF en los experimentos.

Funcionamiento del sistema:

1. Paso 1 - Carga inalámbrica: El UAV transmite energía a los nodos subterráneos utilizando ondas de radiofrecuencia a 915 MHz.

2. Paso 2 - Monitoreo y transmisión de datos: Los nodos subterráneos, al recibir la energía, realizan mediciones del suelo (como humedad y pH) y transmiten los datos al UAV utilizando el protocolo ZigBee.

3. Paso 3 - Envío a la nube: El UAV recoge los datos de los nodos y los envía a un servidor en la nube para análisis en tiempo real.

Parámetros tomados:

• Frecuencia: 915 MHz para la transmisión de energía.

• Potencia: La potencia de transmisión del UAV es de 2 W (36 dBm).

• Capacidad de almacenamiento de energía: Los nodos subterráneos usan un capacitor de 1 mF para almacenar la energía recolectada.

Este sistema es capaz de operar a una profundidad de hasta 15 cm y transmitir más de 1 kilobyte de datos después de 10 segundos de carga inalámbrica

Dificultades mencionadas en el artículo:

1. Caída de voltaje en el arranque: Debido a la limitada capacidad de almacenamiento de energía de los nodos RF-UIoT (por ejemplo, un condensador de 1 mF), el voltaje de suministro puede caer significativamente durante el arranque, las mediciones y la transmisión de datos .

2. Alta atenuación de señal en el suelo: Las ondas de radio se atenúan considerablemente cuando viajan a través del suelo, lo que hace necesario un poder de transmisión alto por parte del UAV para garantizar que las ondas lleguen a los nodos subterráneos .

3. Consumo dinámico de energía: Las operaciones que consumen mucha energía, como la comunicación, pueden causar caídas significativas de voltaje en los nodos, lo que es un desafío exclusivo de los sistemas de recolección de energía RF, a diferencia de los dispositivos alimentados por batería .

Software utilizado:

El artículo menciona que se utilizó una placa inalámbrica Microchip ATmega256RFR2 con el protocolo ZigBee para la transmisión de datos desde los nodos subterráneos hacia el UAV .

Resultados obtenidos:

1. Eficiencia de carga: Los experimentos demostraron que los nodos RF-UIoT, al recibir energía de un transmisor RF de 2 dBm, pueden iniciar su funcionamiento en 10 segundos. Después de este tiempo, el nodo transmite más de 1 kilobyte de datos y puede transmitir 1.7 kilobytes adicionales con 1.6 segundos de carga adicional .

2. Consumo energético: Se observó que el consumo de energía en los nodos es eficiente, y con una potencia de transmisión de solo 2 W desde el UAV, los nodos pueden funcionar a una profundidad mínima de 15 cm bajo el suelo .

Aportes:

1. Circuitos de arranque y gestión de energía: El desarrollo de circuitos específicos para el arranque y la gestión de energía permite que los nodos RF-UIoT inicien su funcionamiento con poca energía incidente y gestionen la energía de manera eficiente .

2. Estrategia de carga por pulsos: Se propone una estrategia de carga por pulsos que mejora la eficiencia de carga, reduciendo el tiempo necesario para cargar los nodos .

3. Mejora en la eficiencia de transmisión de datos: Los resultados mostraron que, con las estrategias de gestión de energía implementadas, los nodos pueden transmitir datos de manera continua y eficiente, incluso con poca energía disponible .

Consumo de energía:

1. Consumo durante el arranque: El proceso de arranque es uno de los más energéticamente demandantes, ya que el sistema necesita suficiente energía para superar el umbral de voltaje mínimo para arrancar. Se observa que cuando el voltaje de suministro aumenta de 2.7V a 3.2V, el consumo de energía en el arranque aumenta significativamente, llegando hasta 6 mJ, lo que es cinco veces más que con un voltaje de 2.7V .

2. Consumo durante la transmisión de datos: La transmisión de datos también consume energía, y su consumo varía dependiendo de la frecuencia del reloj del microcontrolador (MCU) y la potencia de transmisión. Con un reloj de 1 MHz y una potencia de transmisión de 3.5 dBm, el consumo promedio de corriente es de 15.1 mA. Si la frecuencia del reloj se incrementa a 16 MHz, el consumo aumenta a 18.4 mA .

3. Consumo dinámico: Además de los picos en el consumo de energía durante el arranque y la transmisión, el sistema tiene un consumo dinámico, especialmente durante la transmisión de datos y el muestreo de sensores. A medida que el sistema realiza más operaciones, el consumo de energía fluctúa, lo que requiere una gestión eficiente para mantener la operación estable con energía mínima .

Aporte del artículo:

• Circuitos de arranque y gestión de energía: El desarrollo de circuitos especializados para el arranque y la gestión de energía permite que los nodos RF-UIoT inicien su funcionamiento con baja energía incidente. Además, se ha propuesto una estrategia de carga por pulsos que mejora la eficiencia de carga y reduce el tiempo de carga .

• Optimización del consumo de energía: Se proponen estrategias de gestión de energía para ajustar dinámicamente los tiempos de transmisión y los períodos de reposo en función de la energía residual. Esto permite mejorar la eficiencia energética del sistema y asegurar que los nodos funcionen incluso con bajas cantidades de energía .

1. rcuito de Arranque:
   El circuito de arranque usa un Schmitt trigger para controlar el inicio de la MCU (MicroControlador). Dado que la energía cosechada es muy baja, el capacitor de almacenamiento necesita acumular suficiente energía antes de que la MCU pueda arrancar. El circuito mantiene un voltaje de referencia dinámico usando un diodo (D1) y un capacitor (C1). Cuando el voltaje alcanza el umbral necesario, el Schmitt trigger activa la MCU. Esto asegura que el sistema arranque de manera confiable incluso con energía de baja intensidad. Además, el termo-resistor NTC (Rx) ajusta el voltaje de referencia en función de la temperatura, lo que permite una compensación precisa .

2. Circuito de Accionamiento:
   El circuito de accionamiento se encarga de suministrar corriente suficiente al transistor NPN (T2), que regula la corriente al MCU. En situaciones de bajo voltaje de suministro, la resistencia R3 se ajusta para proporcionar el impulso de corriente necesario para el arranque de la MCU. Esto se maneja usando un transistor T2, que actúa como conductor de corriente a través del MCU dependiendo de su estado (inicio o transmisión). El transistor T2 se controla mediante resistores R3 y R5, y un capacitor (C2) que asegura la duración adecuada de la corriente durante el arranque .

3. Circuito de Gestión de Energía:
   El circuito de gestión de energía optimiza el uso de la energía cosechada. Incluye un comparador (CP2), resistores (R6 a R10), diodo (D3), y un capacitor (C3). La MCU mide el voltaje a través de un divisor de voltaje antes de transmitir datos. Si el voltaje de suministro (Vcc) está por debajo de un umbral predefinido, la MCU entra en un modo de sueño profundo para ahorrar energía. Cuando Vcc alcanza un cierto nivel, el comparador activa un interruptor (INT2) que despierta a la MCU para comenzar la transmisión. Este sistema reduce el consumo de energía, ajustando dinámicamente los períodos de sueño y actividad .

Lógica de funcionamiento:

1. Arranque: La MCU no puede iniciar hasta que el capacitor acumule suficiente energía, lo que se controla mediante un Schmitt trigger.

2. Accionamiento: El transistor T2 asegura que la MCU reciba suficiente corriente para arrancar o realizar transmisiones.

3. Gestión de energía: La MCU controla su consumo energético ajustando sus períodos de actividad y sueño de acuerdo con el voltaje de suministro disponible, asegurando que siempre haya suficiente energía para operar.