Powering Autonomous Sensors: An Integral Approach with Focus on Solar and RF Energy Harvesting

حسگرهای خودکار داده ها را منتقل می کنند و وسایل الکترونیکی خود را بدون استفاده از کابل تغذیه می کنند. آنها را می توان در به عنوان مثال یافت. شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) یا سیستم‌های اکتساب از راه دور. اگرچه باتری‌های اولیه طراحی ساده‌ای برای تامین انرژی حسگرهای خودران ارائه می‌دهند، اما محدودیت‌های متعددی مانند ظرفیت محدود و چگالی توان و مشکل در پیش‌بینی وضعیت و وضعیت شارژ آن‌ها دارند. یک جایگزین، استخراج انرژی از محیط (برداشت انرژی) است. با این حال، کاهش ابعاد بیشتر حسگرهای خودمختار منجر به سطح پایین توان موجود از مبدل انرژی می شود. بنابراین، روش ها و مدارهای کارآمد برای مدیریت و جمع آوری انرژی ضروری است.

رویکردی جامع برای تامین انرژی حسگرهای مستقل با در نظر گرفتن باتری‌های اولیه و برداشت‌کننده‌های انرژی ارائه شده است. دو شکل نسبتا متفاوت از برداشت انرژی نیز مورد بررسی قرار می گیرند: نوری (یا خورشیدی) و فرکانس رادیویی (RF). انرژی نوری چگالی انرژی بالایی را به خصوص در فضای باز فراهم می کند، در حالی که تامین برق از راه دور RF احتمالاً عملی ترین گزینه برای حسگرهای مستقلی است که در خاک یا درون سازه ها تعبیه شده اند. در سرتاسر فصل‌های مختلف، دستگاه‌هایی مانند باتری‌های اولیه و ثانویه، ابرخازن‌ها و مبدل‌های انرژی به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته‌اند. سپس، مدارها و روش‌های موجود در ادبیات مورد استفاده برای استخراج و جمع‌آوری کارآمد انرژی ارائه می‌شوند. در نهایت، پیشنهادات جدید مبتنی بر تحقیقات خود نویسندگان تجزیه و تحلیل و آزمایش می‌شوند. هر فصل به گونه‌ای مستقل نوشته شده است که هر فصل منابع ادبی مربوطه را در خود جای داده است.

تغذیه سنسورهای خودکار برای طیف وسیعی از مخاطبان در نظر گرفته شده است که روی سنسورهای خودران کار می کنند یا به آنها علاقه مند هستند. محققان و مهندسان می توانند مقدمه ای گسترده برای موضوعات اساسی در این زمینه جالب و نوظهور و همچنین بینش بیشتر در مورد موضوعات برداشت خورشیدی و RF و مدارها و روش هایی برای به حداکثر رساندن توان استخراج شده از مبدل های انرژی بیابند.

Autonomous sensors transmit data and power their electronics without using cables. They can be found in e.g. wireless sensor networks (WSNs) or remote acquisition systems. Although primary batteries provide a simple design for powering autonomous sensors, they present several limitations such as limited capacity and power density, and difficulty in predicting their condition and state of charge. An alternative is to extract energy from the ambient (energy harvesting). However, the reduced dimensions of most autonomous sensors lead to a low level of available power from the energy transducer. Thus, efficient methods and circuits to manage and gather the energy are a must.

An integral approach for powering autonomous sensors by considering both primary batteries and energy harvesters is presented. Two rather different forms of energy harvesting are also dealt with: optical (or solar) and radiofrequency (RF). Optical energy provides high energy density, especially outdoors, whereas RF remote powering is possibly the most feasible option for autonomous sensors embedded into the soil or within structures. Throughout different chapters, devices such as primary and secondary batteries, supercapacitors, and energy transducers are extensively reviewed. Then, circuits and methods found in the literature used to efficiently extract and gather the energy are presented. Finally, new proposals based on the authors’ own research are analyzed and tested. Every chapter is written to be rather independent, with each incorporating the relevant literature references.

Powering Autonomous Sensors is intended for a wide audience working on or interested in the powering of autonomous sensors. Researchers and engineers can find a broad introduction to basic topics in this interesting and emerging area as well as further insights on the topics of solar and RF harvesting and of circuits and methods to maximize the power extracted from energy transducers.