Wireless Power Transfer for Bluetooth Low Energy Based IoT Device an Empirical Study of Energy Performance

 

Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a WPT y EH que se mencionan):

1. Transferencia de Energía Inalámbrica por Radiofrecuencia (RF-WPT): La tecnología WPT por RF se presenta como una tecnología prometedora para permitir la operación continua y sin mantenimiento de dispositivos IoT. WPT permite transferir energía de una fuente a un objetivo a través del aire, en distancias de hasta unos pocos metros, eliminando la necesidad de cables o baterías tradicionales. Esta técnica presenta un desafío importante: las grandes pérdidas de energía en los canales inalámbricos.

2. Recogida de Energía (EH): La recolección de energía se refiere al proceso de capturar señales electromagnéticas de fuentes cercanas (como señales de TV o móviles) mediante antenas rectificadoras y convertirlas en energía utilizable en forma de voltaje de corriente continua (DC). Este concepto es complementario a WPT, ya que ambas tecnologías buscan suplir la necesidad de energía en dispositivos IoT sin depender de fuentes convencionales de energía.

3. Bluetooth Low Energy (BLE): Esta tecnología es relevante para IoT, ya que proporciona conectividad inalámbrica de bajo consumo, ideal para dispositivos que operan con energía recolectada mediante WPT. La combinación de WPT y BLE puede reducir el consumo de energía de los dispositivos IoT y permitir su funcionamiento a largo plazo sin necesidad de reemplazar baterías.

4. Eficiencia de Transferencia de Energía: En los sistemas WPT, la eficiencia de conversión de energía (RF a DC) y la eficiencia de recolección de energía son fundamentales. La eficiencia disminuye conforme aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor de energía. Los estudios revelan que a distancias mayores de 30 cm, la recolección de energía disminuye considerablemente.

5. Desafíos de Diseño en WPT para IoT: Uno de los principales desafíos es optimizar el consumo de energía, especialmente en la comunicación inalámbrica, que suele consumir una parte significativa de la energía de los dispositivos IoT. Además, la selección adecuada de la tecnología de acceso radioeléctrico es crucial para minimizar el consumo energético.

6. Desempeño Experimental de WPT y BLE: Los estudios experimentales muestran que es factible utilizar WPT para alimentar dispositivos IoT basados en BLE, pero existen limitaciones como la pérdida de eficiencia a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor de energía.

7. Combinación de WPT y BLE: Se ha integrado el sistema WPT con dispositivos IoT que utilizan BLE para transmitir datos. Este sistema ha mostrado ser capaz de funcionar de manera continua con energía transferida inalámbricamente, aunque su desempeño varía en función de la configuración de parámetros como el intervalo de publicidad, el número de canales y la potencia de transmisión.

Tipo de WPT/EH:

• WPT basado en RF: La tecnología de transferencia de energía inalámbrica por RF se utiliza para alimentar dispositivos IoT sin necesidad de baterías.

• EH basado en RF: Implica la recolección de energía de señales electromagnéticas (como señales de radiofrecuencia) para alimentar dispositivos.

Problema que plantea:

• Desafíos de Energía en IoT: El principal problema es el suministro constante de energía para dispositivos IoT sin depender de baterías tradicionales, lo que puede hacer más difícil la operación continua y libre de mantenimiento de estos dispositivos.

Aplicaciones:

• IoT y Dispositivos BLE: La combinación de WPT y BLE se utiliza para dispositivos IoT como sensores y etiquetas sin batería para seguimiento de activos, aplicaciones en ambientes interiores y exteriores, y sensores en aeronaves.

Dificultades/Limitaciones:

• Pérdidas de Energía: La eficiencia de la transferencia de energía disminuye significativamente a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor.

• Dependencia de las Condiciones Ambientales: La eficiencia de recolección de energía depende de las condiciones del entorno, como las superficies reflectantes o la interferencia.

Estructura del sistema:

• Sistema WPT-BLE: El sistema integrado consiste en un transmisor WPT Powercast, un receptor WPT Powercast P21XXCSR-EVB, y un dispositivo IoT habilitado con BLE. La energía recolectada por el receptor WPT se utiliza para alimentar el dispositivo IoT, que se comunica mediante BLE.

Funcionamiento del sistema:

• Transferencia de Energía: El transmisor WPT envía señales de radiofrecuencia al receptor WPT, que las convierte en energía útil. Esta energía se almacena en capacitores y se usa para alimentar el dispositivo IoT en funcionamiento.

Parámetros obtenidos:

• Consumo de Energía: Se miden los perfiles de consumo de energía durante la operación del dispositivo IoT BLE, analizando el consumo en las fases de inactividad (sleep/idle) y en la fase de transmisión de paquetes (advertising).

Software que usa:

• Software de Análisis: Herramientas como Wireshark se utilizan para capturar y analizar los paquetes BLE, mientras que MATLAB se utiliza para el análisis de los datos de consumo de energía.

Resultados:

• Viabilidad de WPT para IoT: Los resultados experimentales muestran que es posible utilizar WPT para alimentar dispositivos IoT, pero existen limitaciones relacionadas con la eficiencia a larga distancia y la capacidad de los capacitores para mantener la energía suficiente para la operación continua.

Aporte:

• Nuevas Perspectivas en el Diseño de IoT: Los resultados de este estudio proporcionan información valiosa sobre la eficiencia energética de los sistemas WPT-BLE, lo que puede influir en el diseño de nuevos productos IoT con alimentación inalámbrica.

Investigaciones futuras:

• Optimización de la Transferencia de Energía: Se sugiere investigar nuevas técnicas para mejorar la eficiencia de WPT, así como la integración de diferentes fuentes de energía para hacer los dispositivos IoT más autónomos y sostenibles.