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Dipartimento di Ingegneria e Architettura Corso di laurea in Ingegneria dell’Informazione Tesi di laurea triennale Relatore: Prof. Ing. Sergio CARRATO.

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1 Dipartimento di Ingegneria e Architettura Corso di laurea in Ingegneria dell’Informazione Tesi di laurea triennale Relatore: Prof. Ing. Sergio CARRATO Correlatore: Piergiorgio MENIA Laureando: Edoardo DEGRASSI

2 Introduzione  I dispositivi wireless sono molto diffusi: la loro portabilità è dovuta alle batterie.  Wireless Sensor Networks: le batterie sono una limitazione: costi di mantenimento, raggiungibilità di sensori remoti. Batterie determinano la vita utile del nodo della rete.  Si vuole prolungare la vita della batteria o farne a meno. Come fare?  Energia presente nell’ambiente: luce, gradienti termici, RF, vibrazioni e movimento.

3 Energy harvesting Cella solare Trasduttore piezoelettrico Rectenna Thermoelectric generator

4 Obiettivo  Tirocinio e tesi presso Elimos S.r.l., AREA Science Park.  Obiettivo: valutare se le tecnologie di energy harvesting sono in grado di alimentare un sistema reale.  Test 1: 1 cella solare in silicio monocristallino 10x10 cm, 1 cella solare in silicio amorfo 3x5 cm.  Test 2: trasduttori piezoelettrici modello V22B, V25W.

5 Valutazione trasduttori  Obiettivo: verificare la potenza ottenibile dai vari trasduttori.  Celle solari: curva I-V.  In silicio cristallino 10x10 cm:

6 Valutazione trasduttori  Cella in silicio amorfo 3x5 cm:

7 Valutazione trasduttori  Prova alternativa:  Cella in silicio amorfo sotto lampada al neon da 16 W, alla distanza di 12 cm:

8 Valutazione trasduttori  Trasduttori piezoelettrici: studiare la loro frequenza naturale.  Materiale utilizzato: shaker, accelerometro, raddrizzatore a ponte, generatore di funzioni.  Prove ad accelerazioni di 0.5 g e 1 g.  Massa aggiuntiva per: estrarre più potenza, abbassare la frequenza naturale.

9 Valutazione trasduttori  Trasduttore V22B:

10 Valutazione trasduttori:  Trasduttore V22B, massa pari a 2.06 grammi:

11 Valutazione trasduttori  Trasduttore V25W:

12 Valutazione trasduttori  Trasduttore V25W, massa pari a 10.2 grammi:

13 Valutazione trasduttori  Potenza ottenibile dal trasduttore V25W, con massa aggiuntiva, in funzione della resistenza di carico:

14 Integrati della Linear Technology  La tensione in uscita dai trasduttori deve essere adattata alla tensione richiesta dal carico.  Convertitori: BOOST (STEP-UP) BUCK (STEP-DOWN)  Se sorgente ambientale ha andamento discontinuo bisogna caricare un elemento di accumulo.  LTC3105, LTC3588.

15 Potenza utilizzabile  Obiettivo: trovare la potenza effettivamente utilizzabile.  Tensione di uscita dalle demo boards pari a 3.3 V.  Potenza disponibile: Cella solare in silicio cristallino: mW Trasduttore piezoelettrico V25W: 0.9 mW, a 0.5 g.

16 Valutazione pratica  Obiettivo: implementare un sistema reale alimentato solamente dal V25W.  Sistema basato su microcontrollore, che si accende solo in presenza di vibrazioni e gestisce una trasmissione wireless.  MCU: Atmel AVR ATmega16L.

17 ATmega16L  Microcontrollore a 8 bit, RISC, architettura Harvard.  Obiettivo: minimizzare l’assorbimento di corrente:  Disabilitati: Frequenza di clock minima con quarzo esterno da kHz Tensione di alimentazione pari a 3.3 V  Brown-out detector  Ckopt  ADC  Comparatore analogico  Watchdog timer

18 ATmega16L  Impostati tutti i pin come input, abilitati tutti i resistori di pull-up.  Diversi consumi nelle varie modalità di sleep: Active: 90 µA Idle: 19 µA Extended Standby: 8 µA

19 Trasmissione wireless  Obiettivo: simulare un consumo in trasmissione simile a quello delle LR-WPANs (IEEE ).  Trasmissione simulata facendo accendere un LED che consuma quanto una TX reale. PAN1721 (14 mA, 0 dBm) BLE112 (30mA, -2 dbm) CC2550 (30mA, 0 dBm)  Resistenza di 4.1 Ω in serie al LED consumi: 30.6 mA.  Impostato il prescaler del Timer0 del MCU LED acceso per 62.5 ms.

20 Implementazione  Elemento di accumulo: condensatore.  Dimensionamento:  Utilizzato C da 4700 µF, 25 V.  Sfruttate le modalità di sleep in modalità Active per 62.5 ms, poi in modalità Idle.

21 Implementazione

22 Conclusioni  Valutati i diversi trasduttori singolarmente e verificata la potenza utilizzabile da essi (tramite ICs).  Implementato sistema a basso assorbimento basato su microcontrollore ATmega16L, che gestisce una TX simulata.  Il sistema implementato è in grado di gestire dei consumi di 30.6 mA per 62.5 ms ogni 8 secondi.  Sviluppi futuri: studiare il V22B, implementare una trasmissione wireless reale.

23

24 Back-up  Rectenna

25 Back-up  TEG

26 Back-up  Trasduttore piezoelettico

27 Back-up  Schema a blocchi del sistema finale:


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