Energy harvesting and sensing for backscatter tags

Abstract

Nowadays, RF energy harvesting has become an increasingly attractive research topic due to the proliferation of radio frequency emitters. The goal is to collect unused ambient RF energy and supply small sensors with power. In the first part, an efficient, low-cost and low-complexity rectenna-grid is analyzed, fabricated and measured, for low-power RF input and RF density. Despite the fact that a lossy and low-cost FR-4 substrate was used, the RF-to-DC rectification efficiency of 20.5% and 35.3% is achieved at -20 and -10dBm power input, respectively. The rectenna was connected to a custom DC-to-DC converter and the open voltage was increased from 298mV to 1.4V, charging a 1mF capacitor at 37min. Monitoring, environmental variables such as soil moisture, relative humidity, etc. with wireless sensor networks (WSNs) is invaluable for precision agriculture applications. However, the effectiveness of existing conventional (e.g. ZigBee-type) radios in large-scale deployments is limited by power consumption, cost and complexity constraints. While the existing WSN solutions employing non-conventional, scatter-radio principles have been restricted to communication ranges of up to a few meters, a novel joint analog design of wireless transmitter (tag) with scatter radio and extended communication ranges is presented in this thesis. Two sensing elements that can be connected with the tag were implemented, a soil moisture sensor and a plant signal sensor. The network tag with the soil moisture sensor was selected to be evaluated in terms of accuracy and communication range. The design is based on a custom microstrip capacitor, exploits bistatic analog scatter radio principles and is able to wirelessly convey soil moisture percentage by mass (% MP) with RMS error of 1.9%. Power consumption and communication range is on the order of 100 uW and 100 meters, respectively. It is tailored for ultra-low cost (5 Euro per sensor) agricultural sensor network applications for soil moisture.

Στις μέρες μας, η συλλογή ενέργειας από ραδιοκύματα γίνεται όλο και πιο ελκυστική ερευνητικά, λόγω της πληθώρας ραδιοπομπών (κεραίες κινητής τηλεφωνίας, κινητών τηλεφώνων, WiFi κλπ). Ο στόχος είναι να αξιοποιηθεί η ενέργεια ραδιοκυμάτων που υπάρχει στο περιβάλλον έτσι ώστε να τροφοδοτηθούν μικροί, ενεργειακά αυτόνομοι, αισθητήρες. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής κατασκευάστηκε, αναλύθηκε και μετρήθηκε ένα αποτελεσματικό, χαμηλού κόστους και χαμηλής πολυπλοκότητας σύστημα πολλαπλών κεραιών με ανορθωτή (rectenna array), για σήματα εισόδου χαμηλής ισχύος. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε ένα χαμηλού κόστους FR-4 υπόστρωμα με απώλειες, η αποτελεσματικότητα του συστήματος στην μετατροπή ενέργειας RF σε DC έφτασε 20,5% και 35,3% για -20 και -10 dBm ισχύ σήματος εισόδου, αντίστοιχα. Το σύστημα στη συνέχεια συνδέθηκε με ένα DC σε DC μετατροπέα που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος στην έξοδο έφτασε 1.4 Volts από 298 mVolts φορτίζοντας έτσι ένα πυκνωτή χωρητικότητας 1mF σε 37 λεπτά. Το δεύτερο κομμάτι της εργασίας μελέτησε την κατασκευή περιβαλλοντικών αισθητήρων για κόμβους οπισθοσκέδασης. Η μέτρηση υγρασίας με ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι πολύτιμη για γεωργικές εφαρμογές υψηλής ακριβείας. Για την μέτρηση και την συλλογή τέτοιων μεγεθών απαιτούνται συμβατικά ραδιόφωνα (πχ τύπου ZigBee) όπου ναι μεν είναι αποτελεσματικά αλλά από την άλλη έχουν περιορισμούς στην κατανάλωση ενέργειας, στο κόστος (πολύ υψηλό) και στην πολυπλοκότητα κατασκευής. Για την ασύρματη δικτύωση αισθητήρων προτάθηκαν πρόσφατα μη συμβατικές μέθοδοι, βασισμένοι στην τεχνική οπισθοσκέδασης (όπως στα συστήματα RFID) οπού όμως υπάρχει περιορισμός στην εμβέλεια επικοινωνίας. Σε αυτήν την εργασία αναπτύχθηκαν αναλογικοί κόμβοι αισθητήρων χρησιμοποιώντας την τεχνολογία οπισθοσκέδασης, με σημαντικές εμβέλειες επικοινωνίας. Κατά την διάρκεια της εργασίας αναπτύχθηκαν δύο αισθητήρες, ένας αισθητήρας υγρασίας εδάφους και ένα σύστημα συλλογής σημάτων από τα φυτά. Ο αισθητήρας υγρασίας εδάφους επιλέχτηκε για περεταίρω ανάλυση και σύνδεση με τον κυρίως κόμβο. Ο αισθητήρας βασίζεται στην κατασκευή ενός πυκνωτή, με το χώμα να παίζει το ρόλο του διηλεκτρικού υλικού. Όλο μαζί το σύστημα είναι ικανό να μεταδώσει ασύρματα την ποσοστιαία υγρασία του εδάφους (%) με μέσο τετραγωνικό σφάλμα (root-mean-squared-RMS) 1.9%. Η κατανάλωση ενέργειας στον κόμβο είναι την τάξης των 100 μW και το εύρος επικοινωνίας αγγίζει τα 100 μέτρα. Τέλος, το κόστος κατασκευής εκτιμάται στα 5 ευρώ ανά κόμβο.