Целью этого исследования была разработка и оценка сенсорных узлов на основе сбора энергии, которые будут использоваться в приложениях промышленной автоматизации. Это исследование было проведено как с обзором литературы по современным технологиям, так и с практическими экспериментами. Цель развития проекта была достигнута с использованием коммерчески доступного сенсорного узла «senseBox» в сочетании с устройством сбора солнечной энергии и протокола передачи «LoRa». Результаты показывают, что для данной системы требуется в среднем 11,3 часа солнечного света в день. Эти ежедневные потребности считаются слишком высокими для большинства реальных приложений, чтобы работать бесконечно. И во многих промышленных приложениях доступ к солнечному свету ограничен. Однако дальнейший анализ системы показывает, что может быть достигнуто повышение эффективности до 275%, в результате чего дневная потребность в солнечном свете составляет примерно 4 часа и менее, что было бы подходящим для таких сред, как горнодобывающая площадка. Кроме того, изучение другой литературы и экспериментов показывает, что возможны сенсорные узлы с уровнем энергопотребления всего 1 мкВт, что значительно расширяет возможности и возможности для многих сенсорных узлов в промышленных условиях. В конечном итоге, путем разработки и тестирования системы, а также путем анализа других методов и технологий доказано, что можно разработать множество беспроводных и полностью автономных узлов датчиков на основе сбора энергии для использования в промышленных приложениях.

The aim of this study was to develop and evaluate energy harvesting based sensor nodes to be used in industrial automation applications. This study was achieved with both a literature review of current technology, and practical experimentation. The development goal of the project was achieved using the commercially available ‘senseBox’ sensor node in conjunction with a solar energy harvesting device, and the ‘LoRa transmission protocol. Although successful, the results suggest that an average of 11.3 hours of sunlight per day are required for the given system. These daily requirements are considered too demanding for most real-world applications to function indefinitely. And in many industrial applications, access to sunlight is limited. However, further analysis of the system suggests that efficiency improvements of up to 275% can be obtained, resulting in a daily required sunlight of approximately 4 hours and less, which would be appropriate for environments such as a mining site. Furthermore, study of other literature and experiments show sensor nodes with energy consumptions rates of as low as 1 µW are possible, which drastically increase the options and possibilities for many sensor nodes in industrial settings. Ultimately, by developing and testing system, and through analysis of other methods and technologies, it is proven very possible to develop a variety of wireless and fully autonomous energy harvesting based sensor nodes for use in industrial applications.

• 0922 - Michael Tucker - Master's Thesis - Energy Harvesting Sensor Nodes.pdf
  • РЕФЕРАТ
  • Abstract
  • Introduction
  • 1 Problem and objective
    • 1.1 Primary Objective
      • 1.1.1 Sub Goal 1 – Literature review and technology selection.
      • 1.1.2 Sub Goal 2 – Successful wireless transmission of data and implementation of Energy harvesting and battery management system.
      • 1.1.3 Sub Goal 3 – Recording and numerical analysis of power consumption and power generation of the system.
  • 2 State of technology
    • 2.1 Energy Harvesting
      • 2.1.1 Considerations during technology analysis
      • 2.1.2 Radiant
        • 2.1.2.1 Solar
        • Radio Frequency transmissions
      • 2.1.3 Kinetic / Mechanical
        • Kinetic - Piezoelectric Energy Harvesting
        • Kinetic - Electromagnetic Energy Harvesting
        • Kinetic - Electrostatic
      • 2.1.4 Thermal based energy harvesting
        • Thermal energy harvesting
        • Thermal harvesting through pyroelectricity
      • 2.1.5 Biochemical and chemical energy harvesting
      • 2.1.6 Multi-modal Energy Harvesting
      • 2.1.7 Energy Harvesting methods conclusion and final thoughts
    • 2.2 Sensor Nodes
      • 2.2.1 Wireless sensor nodes powered by Energy harvesting
    • 2.3 Energy management system
    • 2.4 Transmission technologies
      • SigFox
      • NB-IoT
      • LoRa
  • 3 Methodology
    • 3.1 Criteria
    • 3.2 Steps
      • 3.2.1 Technology selection
      • 3.2.2 Interfacing to LoRa Gateway
      • 3.2.3 Programming of the Sensor Node and sending LoRa transmissions
      • 3.2.4 Recording of power consumption system and generation of harvesting device.
      • 3.2.5 Analysis of system
    • 3.3 Results
      • 3.3.1 Successful transmission of recorded data.
      • 3.3.2 Power consumption recordings.
      • 3.3.3 Power consumption of LoRa Transmissions
      • 3.3.4 Power generation of Energy harvesting devices.
      • 3.3.5 Applications within our system
  • 4 Summary and Discussion
  • Conclusion
  • REFERENCES