Com um fornecimento de 28mV e 3.3mA, a PMU demorou cerca de 3 minutos e 18 segundos a atingir os 3.3V, momento a partir da qual se manteve estável. Com os valores obtidos no SourceMeter, conclui-se que o retificador teria de apresentar à sua saída uma potência de saída superior a 92µW de forma constante, situação que não se sucedeu.
Capítulo 7
Conclusões e Trabalho Futuro
A promessa de um funcionamento autónomo, sem o uso de baterias, por parte dos sistemas de IoT representa uma tendência crescente no melhoramento e disse- minação deste tipo de dispositivos. O uso de sistemas de EH surgem como solução para este tipo de melhoramento, aliado à redução de desperdícios produzidos pelo uso de baterias. O trabalho realizado ao longo desta dissertação surge como forma de materializar esta solução.
Cada aplicação de um módulo IoT é única e como tal, o local onde o sistema é implementado deve ser estudado de forma rigorosa. Tendo por base o uso de um sistema de EH para fornecimento de energia ao módulo IoT, com a determinação da melhor fonte de energia presente no local, poderá ser possível realizar uma arqui- tectura que satisfaça os requisitos de funcionamento do módulo.
No que se refere ao sistema de energy harvesting abordado no âmbito desta dis- sertação, este poderá ser aplicado em diversas aplicações IoT. Desde que não com- prometa o local onde o sistema será instalado, a fonte de energia que apresentar a maior potência radiada e mais constante deve ser o principal "alvo"de um sistema de energy harvesting RF.
No que diz respeito à identificação das fontes de radiação e as suas frequên- cias, existentes em ambiente empresarial, foram identificadas como interessantes as frequências na banda GSM e Wi-Fi. Por um lado, o uso da banda de frequências GSM como fonte de energia deveu-se à sua grande presença, não só em ambiente empresarial mas também a nível nacional e internacional, potenciado por parte de diferentes operadoras móveis. Por outro lado, o uso de Wi-Fi e outras redes na banda de 2.4GHz também como fonte de energia teve o seu fundamento na grande disseminação indoor, provocada pela implementação de redes domésticas de comu- nicação.
Numa primeira fase, o estudo do local para a implementação do sistema de EH representou a primeira dificuldade no desenho do rectificador. Sem existir a pos- sibilidade de averiguar a potência emitida pelos dispositivos electrónicos, foram determinadas gamas de funcionamento tendo em conta directrizes impostas pelas entidades reguladoras. Tendo sido notória esta falta de controlo, como forma de eli- minar esta incerteza, o uso de um analisador de espectros permitiria caracterizar as
potências dos sinais envolvidos. Este tipo de dispositivo permite analisar os níveis de potência presentes no ambiente, assim como as frequências de emissão, dentro das suas gamas de funcionamento (um exemplo deste tipo de dispositivo é o FSH, da Rohde & Schwarz [94], que possui a capacidade de analisar frequências entre o 9kHz e os 20GHz, ao mesmo tempo que possui um formato portátil).
Apesar da não existência de uma analisador de espectros, a validação do sistema poderia passar pelo uso de um ambiente controlado para o fornecimento de radiação electromagnética ao rectificador. O acesso a um gerador de sinais capaz de gerar ondas eletromagnéticas até 2.4GHz permitiria realizar testes ao sistema de EH sem a dependência do ambiente de testes real, contudo, também este tipo de dispositivo não estava disponível.
Com a remoção das incertezas relacionadas com os dispositivos responsáveis por fornecer radiação, a análise do sistema seria mais simples. Aliado ao uso de um equipamento capaz de medir sinais até à frequência de 2.4GHz, a validação do sistema de EH seria mais precisa.
Para a construção do módulo de EH, e posterior fornecimento de energia ao mó- dulo IoT, foram identificados como elementos necessários à sua composição uma rectenna e uma unidade de gestão de energia rectificada. Para desenho do rectifica- dor RF/DC, a primeira abordagem seguida foi a simulação do mesmo. De acordo com os resultados obtidos neste âmbito foi seleccionada a topologia de multiplica- dor de tensão de um nível para as três frequências pretendidas. Este rectificador, constituído por dois díodos Schottky SMS7630 da Skyworks, foi escolhido devido à tensão DC à saída que apresentava nas simulações. Conclui-se assim que a gera- ção de energia a partir das fontes radiadas existentes em ambiente empresarial seria possível dentro dos parâmetros especificados.
Após a fase de simulação foram efectuados testes para determinar o funciona- mento do rectificador seleccionado em ambiente real. Estes testes revelaram que o rectificador efectivamente rectificava a potência incidente na antena, produzindo va- lores de pico. Foi então adicionado um filtro à saída do rectificador para se obter ní- veis de tensão DC constantes ao longo do tempo. Com a adição do filtro passa-baixo, o circuito produzia efectivamente uma tensão DC à saída, para 2.4GHz, superior até ao pretendido, no entanto, continuou a não ser possível activar a PMU. Este compor- tamento não ideal é explicado pela transmissão de radiação intermitente por parte dos dispositivos emissores. Para as restantes frequências não foi possível validar o rectificador, uma vez que, a densidade prevista de energia foi sobre-estimada, sendo na prática muito menor que o esperado resultando assim em níveis de tensão muito baixos e inadequados para o bom funcionamento do sistema. Com a incorporação do rectificador desenhado no módulo de EH conclui-se que, devido à não uniformi- dade da tensão de saída do rectificador, não foi possível activar a unidade de gestão de energia (PMU), não sendo assim gerada energia suficiente a partir deste módulo para alimentar o módulo IoT. Contudo ficou provada a capacidade de aquisição de
energia radiada no meio, não sendo adequada à arquitectura do sistema proposta pela necessidade de existir uma potência constante que permita ao rectificador gerar uma tensão DC constante.
Relativamente ao módulo IoT, para cumprimento dos objectivos determinados foram seleccionados um sensor de temperatura digital e um microcontrolador de baixo consumo. A escolha do microcontrolador teve em consideração o facto de possuir um transmissor integrado, com funcionamento a 2.4GHz. Esta frequência de transmissão permitiu implementar uma stack Bluetooth Low Energy para diminuir os consumos. Esta característica presente em outros produtos no mercado revelou-se fundamental para o sucesso da implementação deste módulo, dado o seu elevado nível de integração e o baixo consumo alcançado. Com a codificação dos CIs pre- sentes, o facto de o microcontrolador possuir um núcleo no seu CPU dedicado à comunicação com periféricos sensoriais externos, permitiu a fácil integração entre estes dois elementos e uma vez mais diminuir o consumo geral do módulo.
Tendo em conta as conclusões apresentadas até agora, a integração dos diferen- tes módulos num sistema, prende-se essencialmente com as ligações entre eles e o espaço ocupado por cada um. Assim verificou-se que o elemento que maior cons- trangimento provoca na implantação do sistema é a antena, devido à sua forma e elevadas dimensões. Verificou-se ainda que o sistema desenvolvido, apesar da não existência de especificações quantificadas das dimensões requeridas, vai de encontro à especificação de pequenas dimensões e é congruente com outras soluções IoT.
Ficou então demonstrado que a implementação de sistemas IoT sem bateria é possível com recurso à energia de radiofrequência produzida pelos equipamentos de comunicação mais comummente utilizados. Prevendo-se ainda que se dotados de uma componente ou de um sistema anexo capaz de aferir a potência e directividade dos sinais electromagnéticos existentes, em cada aplicação, será possível maximizar a sua disseminação por diferentes ambientes.
7.1
Trabalho Futuro
Devido aos resultados obtidos, o trabalho futuro desta dissertação passa pelo me- lhoramento do módulo de EH. Com base nas incertezas apresentadas anteriormente, pretende-se o maior rigor possível em todas as instâncias do desenvolvimento deste dispositivo. Assim, nos pontos apresentados a seguir, são expostos orientações para o sucesso da implementação de um sistema totalmente autónomo:
• O primeiro passo passaria por adquirir os equipamentos necessários para aná- lise na integra do local de implementação e do circuito rectificador do módulo de EH. Esses equipamentos, referidos na secção anterior, seriam o analisador de espectros, o gerador de sinais e o equipamento de medida de sinal, todos com capacidade para trabalhar com sinais até 2.4GHz de frequência;
• A realização de testes às antenas adquiridas externamente é importante para se ferir se estas se encontram dentro das especificações anunciadas. Por ou- tro lado, a simulação e construção de uma antena eliminaria a necessidade de adquirir as mesmas antenas. O fabrico desta antena permitiria controlar os pa- râmetros de ganho, VSWR e frequência central, o que aumentaria a eficiência do módulo de EH;
• O uso de múltiplos circuitos rectificadores, juntamente com múltiplas antenas, com frequências de funcionamento diferentes introduziriam no módulo de EH o acesso a um conjunto maior de espectros de potência. Para este efeito seria utilizada a placa apresentada na figura 5.33 pois permite a utilização de qual- quer sistema de energy harvesting externo;
• Relativamente ao módulo IoT, o interesse passaria com a introdução de novos sensores na placa desenhada ou até mesmo múltiplos sensores de baixo con- sumo. Por outro lado, o uso de outro protocolo de comunicação poderia ser importante tendo em conta o dispositivo recetor.
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