Wireless Sensor Networks Running on Harvested Power

Tese de doutoramento em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, no ramo de especialização de Computadores e Electrónica, apresentada ao Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraUbiquitous computing is a concept in which data processing and information management are integrated within everyday objects and activities. Wireless Sensor Networks (WSN) naturally implement this concept, having the potential to become a widespread technology, with multiple applications, such as active clothing and large area environmental monitoring. Data acquisition and processing using a WSN is becoming an efficient tool to help systems and users with on-line decisions. However, despite all efforts from academia and industry, deploying, commissioning and operating these systems are time and manpower consuming tasks. The overall aim of the present work is to investigate and develop solutions for a network of wireless sensors with a large number of nodes that is able to achieve low deployment, maintenance and operational costs. Within this context, the power supply is one of the main constraints when operating WSN. The most obvious energy source for a WSN node is a battery. Batteries seriously limit WSN usage and are associated to the increasing cost of large networks. Low cost networks may be achieved when battery use is substantially reduced or eliminated. This consideration may also be relevant in environments with electrical power grid availability. Supplying WSN devices with mains power is not always an advantage, since node installation may require complex and time consuming actions. In this work, a solution that addresses WSN low cost implementation and operation has been designed, implemented and tested. The proposed solution is aimed at electrical energy monitoring of large buildings which, in modern economies, are responsible for an important part of the global electrical energy consumption. Moreover, the implementation of energy saving strategies may benefit from disaggregated data monitoring. To tackle this problem, a number of technological solutions exist, that are however, expensive in terms of equipment, installation and maintenance. Monitoring a building with such a network offers a clear advantage over wired systems. The development of a self-powered, battery-free current sensor node for large wireless sensor networks may contribute to the implementation of monitoring solutions for large buildings. The proposed system is able to harvest energy from the environment and is easily installed by non-technical personnel. A solution to monitor disaggregated consumption has also been designed and implemented. Based on a contact-less power source with a Split-Core Current Transformer (SCCT), the proposed solution is able to run a complex WSN protocol. The proposed device is able to power a battery-free wireless node, estimating also the current drawn by the electrical load with a single SCCT. Low power operation has been achieved by adapting a complex protocol implementation to a battery-free device. The proposed device is able to identify data as well as to operate within specific protocol rules. With this device, nodes execute bidirectional communications and are compliant with the IEEE 802.15.4/Zigbee standards. Nodes listen for occupied radio carrier before transmitting and are able to transfer the standard regulated data payload. Protocol operations such as registering with the network or joining a group of nodes within the network have been implemented.O conceito de computação ubíqua descreve a capacidade dos objetos efetuarem processamento, gestão da informação e comunicação de dados, tornando-os invisíveis para as atividades dos indivíduos. As Redes de Sensores sem Fios (RSsF) interpretam e implementam naturalmente este conceito. O potencial de utilização de RSsF em múltiplos ambientes é enorme. Estes sistemas podem ser utilizados em cenários tão diferentes como roupas inteligentes ou monitorização ambiental. Utilizar uma RSsF para recolher informação, pode tornar-se uma forma muito eficiente para os utilizadores e os sistemas tomarem decisões. Uma RSsF poderá constituir uma clara vantagem sobre alguns sistemas de ligações com fios. No entanto a colocação no terreno, o início de operação e a manutenção, são processos muito dispendiosos em termos de mão-de-obra. O objetivo deste trabalho é o de contribuir para o desenvolvimento de redes de sensores sem fios com um grande número de nós, com baixos custos de colocação, operação e manutenção. Neste contexto, o fornecimento de energia é um dos principais constrangimentos ao funcionamento das RSsF. As baterias são a fonte de energia mais óbvia para um nó de uma RSsF. No entanto, as baterias constituem uma séria limitação à operação destes sistemas e são associadas ao aumento do custo das grandes redes. A eliminação das baterias ou a redução da sua utilização poderá contribuir para a descida dos custos de instalação e operação destas redes. A substituição das baterias poderá ser relevante mesmo em cenários com disponibilidade de utilização de energia da rede elétrica. A instalação de um dispositivo ligado à rede elétrica pode exigir um conjunto de ações complexas e prolongadas. A solução proposta é dirigida à monitorização da rede elétrica de grandes edifícios que, nas economias modernas, são responsáveis por uma parte importante do consumo de energia. A implementação de estratégias de poupança de energia pode beneficiar da monitorização de dados desagregados. Para fazer face a este problema, existem uma série de soluções tecnológicas, que são no entanto dispendiosas em termos de equipamento, instalação e manutenção. A monitorização de um grande edifício com uma RSsF pode apresentar uma clara vantagem sobre os sistemas com fios. Neste contexto, a implementação de um dispositivo sem baterias e autoalimentado pode contribuir para a implementação de soluções de monitorização de consumos de energia em grandes edifícios. O sistema proposto é capaz de captar a energia da rede elétrica sem necessidade de contacto físico e é facilmente instalado por pessoal não técnico. O protótipo desenvolvido permite ainda monitorizar o consumo desagregado de cargas numa rede elétrica. O dispositivo possui uma fonte de energia sem contacto utilizando um sensor transformador de corrente, executando um protocolo complexo de comunicação. O nó implementado é compatível com as normas IEEE 802.15.4/Zigbee e a sua operação foi adaptada a este protocolo complexo. A implementação do dispositivo proposto é capaz de identificar os dados que lhe são dirigidos, bem como relacionar os dados à sua origem operando dentro de uma topologia de rede. O dispositivo executa igualmente comunicações bidirecionais em conformidade com as normas referidas.FCT - SFRH/BD/45602/200