Design of electronic circuits for IoT applications

Abstract

With the emergence of the Internet of Things (IoT) era, the development of an infinite number of services and applications has become achievable. The employment of a variety of sensors in IoT systems is widespread in applications involving healthcare, environmental monitoring, weather forecasting, traffic flow etc. Since most sensor systems are installed in remote and hard-to-reach environments, where they are expected to operate for extended periods without the frequent need of battery replacement, their energy efficiency is a critical parameter. Thus, various design techniques and improvements have been utilized to prolong the operation of these systems, such as an intermittent style of operation of the sensors, the utilization of energy harvesting from environmental power sources, as well as the minimization of the power consumption of the sensor electronics. It is essential that the energy efficiency aspect of design does not interfere with the effective operation of the sensing system, i.e., the low-noise operation is not traded off for the low-power operation. Therefore, a combination of these two typically counteractive design characteristics is attempted. As a case study, an electric field mill sensor, which is a sensor that is typically installed in remote areas and should operate for extended periods, is examined in a weather forecasting application. Additionally, the piezoelectric element, which is widely employed as a sensor in inaccessible environments (bridges, roads, building surfaces) is examined in applications where its ability to also act as an energy harvester is exploited to design self-powered IoT sensing systems. In the beginning of this dissertation, the description of the electric field mill sensor’s most significant design characteristics as well as its non-idealities which can affect its sensitivity, or its efficient operation is provided. Both a discrete and an integrated implementation of the prototype sensor’s interface circuitry are designed, taking into consideration the low-noise requirement for the preamplification stage and the low power consumption of the entire system. Next, an overview of Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques and algorithms employed in energy harvesting systems that can enable the energy-autonomous operation of sensing systems is provided and the design of circuits that are embedded in such systems is presented. An energy harvesting module that can supply the operation of a Wireless Sensor Node and a low-power field mill sensor and its analog readout is tested in real conditions. In addition, the capability of the piezoelectric transducer to be utilized both as a sensor and as an energy harvester is examined and tested in two applications; the first is a Weigh-in-Motion sensing circuit, where the transducer is also employed in an energy harvesting module and the second is a Maximum Power Point Tracking technique implementation for piezoelectric energy harvesters. Finally, the conclusions derived from this work as well as future research directions are discussed.

Η ανάδυση της εποχής του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things, IoT), καθιστά εφικτή την ανάπτυξη απεριόριστου αριθμού υπηρεσιών και εφαρμογών. Η χρήση ποικίλων αισθητήρων σε συστήματα IoT είναι διαδεδομένη σε εφαρμογές που αφορούν τους τομείς της υγείας, του περιβάλλοντος, της πρόγνωσης του καιρού, της κυκλοφοριακής ροής κλπ. Καθώς η πλειοψηφία των συστημάτων αισθητήρων εγκαθίσταται σε απομακρυσμένα και δυσπρόσιτα περιβάλλοντα, όπου αναμένεται να λειτουργούν για μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς την ανάγκη συχνής αντικατάστασης μπαταριών, η ενεργειακά αποδοτική λειτουργία τους αποτελεί κρίσιμη παράμετρο. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές και βελτιώσεις σχεδίασης ώστε να παρατείνεται η λειτουργία των συστημάτων αυτών, όπως ο διακοπτόμενος τρόπος λειτουργίας των αισθητήρων, η συγκομιδή ενέργειας από περιβάλλουσες πηγές ενέργειας, καθώς και η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης των ηλεκτρονικών του αισθητήρα. Είναι απαραίτητο η βελτιστοποίηση στην κατανάλωση της ενέργειας κατά τη σχεδίαση να μην επηρεάζει την αποδοτική λειτουργία του συστήματος αισθητήρα, δηλαδή η λειτουργία με χαμηλό θόρυβο να μην ανταλλάσσεται με τη λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης. Επιλέχθηκε για μελέτη ο αισθητήρας μέτρησης ηλεκτρικού πεδίου (electric field mill) ως παράδειγμα αισθητήρα, ο οποίος τοποθετείται σε απομακρυσμένες περιοχές και λειτουργεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Επιπρόσθετα, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως αισθητήρας σε δυσπρόσιτα περιβάλλοντα (γέφυρες, οδώστρωμα, επιφάνειες κτιρίων), εξετάζεται σε εφαρμογές όπου αξιοποιείται η δυνατότητα χρήσης του και ως μετατροπέα ενέργειας για τη σχεδίαση αυτοτροφοδοτούμενων IoT συστημάτων αισθητήρων. Στο πρώτο σκέλος της διατριβής περιγράφονται τα σημαντικότερα δομικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα ηλεκτρικού πεδίου, καθώς και οι παράμετροι που δύνανται να επηρεάσουν την ευαισθησία ή την αποδοτική λειτουργία του. Σχεδιάζεται μία υλοποίηση των κυκλωμάτων της διεπαφής του αισθητήρα με διακριτά στοιχεία, καθώς και μία ολοκληρωμένη υλοποίηση, αμφότερες με γνώμονα τις απαιτήσεις χαμηλού θορύβου του σταδίου προενίσχυσης και τη χαμηλή κατανάλωση του συνολικού συστήματος. Στη συνέχεια πραγματοποιείται μια επισκόπηση τεχνικών και αλγορίθμων εντοπισμού του σημείου λειτουργίας μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, MPPT) που χρησιμοποιούνται σε συστήματα συγκομιδής ενέργειας τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα ενεργειακά αυτόνομης λειτουργίας των συστημάτων αισθητήρων και παρουσιάζονται κυκλώματα τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε τέτοια συστήματα. Εξετάζεται ένα κύκλωμα συγκομιδής ενέργειας το οποίο μπορεί να τροφοδοτήσει με διακοπτόμενο τρόπο τη λειτουργία ενός ασύρματου κόμβου αισθητήρα (Wireless Sensor Node), καθώς και ενός αισθητήρα ηλεκτρικού πεδίου χαμηλής κατανάλωσης και των ηλεκτρονικών ανάγνωσής του. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η δυνατότητα ταυτόχρονης χρήσης του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου ως αισθητήρα και ως μετατροπέα ενέργειας και επαληθεύεται μέσω δύο εφαρμογών: η πρώτη αφορά τη μέτρηση ενός φορτίου σε κίνηση (Weigh-in-Motion), όπου το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο εκτός από αισθητήρας χρησιμοποιείται και σε ένα σύστημα συγκομιδής ενέργειας και η δεύτερη αποτελεί μια υλοποίηση τεχνικής MPPT για πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς ενέργειας. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.