Long range energy efficient wireless sensor system

doctoral thesis

• Title (croatian): Energetski učinkovit bežični senzorski sustav velikoga dometa
• Author: Dalibor Purković
• Mentor: Zvonimir Šipuš (mentor)
• Committee member: Zvonimir Šipuš (predsjednik povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Communication and Space Technologies); Zagreb
• Defense date and country: 2019, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering; Radio Communications
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

Energy consumption has become one of the main parameters in evaluating sensor systems in the IoT market. The long range sensor systems which are discussed in this dissertation are not an exception. Their application in the outdoor environment makes them an ideal candidate for combining energy harvesting mechanisms with low power features. As it is discovered, using just the low power electric components is not enough to ensure energy efficiency. Techniques and mechanisms for harvesting and saving energy had to be investigated and developed in order to successfully realize an energy efficient sensor system. The approach used was to build an entire sensor system from scratch, with careful selection of the main hardware components, and a deeper analysis of their behaviour and energy consumption for different temperatures, humidity and supply voltages. The concept of having one developed Printed Circuit Board (PCB), which is used in both the transmitter and receiver side, resulted in the development of two different modules which share same hardware components. Based on the required application, these modules can be assembled as either a Sensor module or a Data logger module. Furthermore, a unique, low power, energy efficient communication protocol is developed and described. A communication protocol optimizes the way the information is collected from the environment, packed and transmitted over long distances with minimum needed energy. It is designed specifically for energy constrained sensor modules which rely on energy harvesting. Gathered information is transmitted in a form of two different packet types called Teach-in and Data telegrams, respectively. A detailed structure of these packets and the energy required for transmission is explained together with a deeper analysis of the protocol’s physical layer (PHY). In addition, big potential of the developed sensor system for mass market is demonstrated, as a result of the many proposed solutions that have been tested and implemented in fully developed functioning prototypes already running in different field installations.

Abstract (croatian)

Potrošnja energije jedan je od osnovnih evaluacijskih parametara senzorskih sustava u svijetu Interneta stvari (engl. IoT). Senzorski sustavi velikoga dometa analizirani u ovoj disertaciji nisu iznimka. Njihova primjena u vanjskim uvjetima u okolišu te niska potrošnja čini ih idealnim kandidatima za integraciju mehanizama prikupljanja energije iz okoliša (engl. energy harvesting). Ustanovljeno je da samo korištenje elektroničkih komponenata niske potrošnje neće rezultirati senzorskim sustavom koji je potpuno energetski učinkovit. Stoga je bilo potrebno istražiti i razviti dodatne tehnike i mehanizme za učinkovito prikupljanje energije iz okoliša te njezinu pohranu u samom senzorskom sustavu. Kako bi se to omogućilo, čitav senzorski sustav je razvijen od „nule“, s pomno biranim hardverskim komponentama i dubljom analizom ponašanja tih komponenti. Pri tome je prvenstveno analizirana potrošnja energije izabranih komponenata u uvjetima različite temperature, relativne vlažnosti zraka te napona napajanja. Koncept jednog dizajna tiskane pločice (engl. PCB) koja se koristi za realizaciju predajnika, ali i prijemnika, rezultirao je razvojem dvaju različitih modula koji dijele iste hardverske komponente. Ovisno o primjeni i montiranim komponentama, ovi moduli mogu biti sastavljeni kao Senzorski modul (engl. Sensor module) ili Modul za pohranu podataka (engl. Data logger module). Dodatno je razvijen i predstavljen jedinstven, energetski učinkovit komunikacijski protokol. Ovaj protokol optimizira način na koji je mjerena veličina prikupljena iz okoliša zapakirana u podatkovni paket i poslana preko velikih udaljenosti s minimalnom potrošenom energijom. Razvijeni protokol prvenstveno je namijenjen senzorskim sustavima s ograničenom pohranjenom energijom koji se pri svom radu oslanjaju na prikupljanje energije iz okoliša. Procesirana mjerena veličina šalje se u obliku dviju vrsta podatkovnih paketa nazvanih Teach-in i Data telegrami. Također, dana je detaljna struktura ovih podatkovnih paketa te je određena minimalna energija potrebna za njihovo slanje bežičnim putem. Provedena je i dublja analiza fizičkog sloja razvijenog komunikacijskog protokola te su definirani temeljni parametri bežičnog prijenosa informacija kao što su vrsta modulacije prijenosnog signala, brzina prijenosa podataka, snaga odašiljanja i sl. Također je demonstriran i veliki tržišni potencijal razvijenog senzorskog sustava, što je rezultat mnogih provedenih testiranja na prototipima instaliranim u realnim, vanjskim radnim uvjetima.

• Keywords: sensor module; data logger module; low power; long range; wireless communication; energy harvesting; supercapacitor; teach-in telegram; data telegram; unidirectional communication; bidirectional communication; communication protocol; LPWAN
• Keywords (croatian): senzorski modul; modul za pohranu podataka; niska potrošnja; veliki domet; bežična komunikacija; prikupljanje energije iz okoliša; superkondenzator; telegrami; jednosmjerna komunikacija; dvosmjerna komunikacija; komunikacijski protokol; LPWAN
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:569556
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Computing; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva (Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva)
• Type of resource: Text
• Extent: 177 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-01-22 07:17:30