Design and implementation of wireless nodes for the Internet of Things

Abstract

The Internet of Things is a trending topic these days. However, energy is often the major job stopper for broad adoption of this technology, which have three tight constraints: extremely cost oriented, long service life and small size. As a consequence, developers must overcome many challenges related to the optimal management of the energy available to power a node. This management is not only limited to the power supply, but also comprises the smart energy consumption of the node. Three challenges are addressed in this work: the first associated with the node’s sensing system, the second, with the power consumption when the node is not operating, and the third, with the energy harvesting. The contributions of this thesis are presented as an articlebased dissertation of three journal publications and three conference articles, where each publication addresses one of the challenges. The first contribution is related to the node’s sensing system. Particularly, the electronic gas meters’ sensing system. A novel sensing system for gas meters has been developed. It is based on a dual magnetic sensing: a) low-cost, low-power primary sensing via reed switches connected to the microcontroller's (MCU) digital inputs, and b) secondary sensing using Hall-effect sensors coupled to the MCU's analogue inputs. Furthermore, both sensing systems use an active and a passive element to provide an output that is immune to external interfering magnets. To establish the dependability of the prototype, it was implemented and evaluated under various test scenarios. The second contribution of this research work has proposed, analyzed, and evaluated a contactless wake-up circuit for an MCU that makes use of a light-emitting diode (LED) operating as a hotodetector and is lighted by a smartphone flashlight. The circuit comprises a high-pass filter and a voltage-level translator that connects the LED to the MCU through an appropriate resistor in parallel. When lighted by a switching flashlight, the LED produces a square voltage, which is translated into logic levels at the wakeup circuit output. A firmware embedded in the MCU also ensures that a specified series of logic pulses at a specific rate is received in order to activate the MCU. These additional stages make it more robust against ambient light interferences. Note that LEDs manufacturers do not disclose information regarding how LEDs respond to light. Consequently, this second contribution is complemented with the current-voltage characterization of several types of LEDs. Finally, in the third contribution, the energy challenge associated with the node’s power source is addressed. Specifically, the energy harvesting of radiofrequency (RF) signals present in the environment is chosen among all available energy sources. A compact Thévenin model for a rectenna is proposed in this study.The investigated rectenna comprises an L matching network and a halfwave rectifier. The developed model is simpler and more compact than those previously proposed in the literature, and it contains explicit and simple analytical expressions of the Thévenin voltage, resistance, and power efficiency. The experimental findings support the suggested model, demonstrating a linear current–voltage relationship as well as a maximum efficiency (60%) at -10 dBm. At the rectenna output, an MPPT was also employed to automatically work at the highest efficiency point, with an overall efficiency nearing 50% at -10 dBm. Further experiments were carried out, this time with a nearby transmitting antenna, to power a sensor node with a power demand of 4.2 µW.

El Internet de las cosas es un tema tendencia en estos días. Sin embargo, la energía es a menudo el principal obstáculo para la adopción generalizada de esta tecnología, que tiene tres restricciones estrictas: es extremadamente orientada a los costos, requiere una larga vida útil y un tamaño pequeño. Como consecuencia, los desarrolladores deben superar muchos desafíos relacionados con la gestión óptima de la energía disponible para alimentar un nodo. Esta gestión no solo se limita a la fuente de alimentación, sino que también comprende el consumo energético inteligente del nodo. En este trabajo se abordan tres desafíos: el primero asociado con el sistema de detección del nodo, el segundo, con el consumo de energía cuando el nodo no está rn funcionamiento, y el tercero, con la recolección de energía. Las contribuciones de esta tesis se presentan como un compendio de artículos de tres publicaciones de revista y tres artículos de conferencias, donde cada publicación aborda uno de los desafíos. La primera contribución está relacionada con el sistema de detección del nodo. En particular, el sistema de detección de los contadores electrónicos de gas. Se ha desarrollado un nuevo sistema de detección para contadores de gas. Se basa en una detección magnética dual: a) detección primaria de bajo costo y baja potencia a través de interruptores de lengüeta conectados a entradas digitales del microcontrolador (MCU), y b) detección secundaria mediante sensores de efecto Hall acoplados a entradas analógicas de la MCU. Además, ambos sistemas de detección utilizan un elemento activo y uno pasivo para proporcionar una salida que es inmune a imanes externos que puedan interferir con la medición. Para corroborar la fiabilidad del prototipo, se implementó y evaluó en varios escenarios de prueba. La segunda contribución de este trabajo de investigación ha propuesto, analizado y evaluado un circuito de activación sin contacto para MCUs, que hace uso de un diodo emisor de luz (LED) que funciona como fotodetector y es iluminado por el flash de un móvil. El circuito comprende un filtro pasa alto y un traductor de nivel de voltaje que conecta el LED al MCU a través de una resistencia apropiada en paralelo. Cuando se hace conmutar el flash, el LED produce una señal cuadrada, que se traduce en niveles lógicos en la salida del circuito de activación. Un firmware integrado en el MCU garantiza que se reciba una serie específica de pulsos lógicos a una cierta velocidad para activar el MCU. Estas etapas adicionales lo hacen más robusto contra las interferencias de la luz ambiental. Se debe resaltar que los fabricantes de LED no divulgan información sobre cómo responden los LED a la luz. En consecuencia, esta segunda aportación se complementa con la caracterización corriente vs. tensión de varios tipos de LED. Finalmente, en la tercera contribución, se aborda el desafío energético asociado con la fuente de energía del nodo. Específicamente, la recolección de energía de señales de radiofrecuencia (RF) presentes en el medio ambiente se elige entre todas las fuentes de energía disponibles. En este estudio se propone un modelo compacto de Thévenin para una rectenna. La rectenna investigada comprende una red de adaptación L y un rectificador de media onda. El modelo desarrollado es más simple y compacto que los propuestos previamente en la literatura, y contiene representaciones explícitas de la tensión y la resistencia de Thévenin y la eficiencia energética. Los hallazgos experimentales apoyan el modelo sugerido, demostrando una relación lineal entre la corriente y la tensión, así como una eficiencia máxima (60%) a -10 dBm. En la salida de rectenna, también se empleó un MPPT para trabajar automáticamente en el punto de mayor eficiencia, con una eficiencia general cercana al 50% a -10 dBm. Se llevaron a cabo más experimentos, esta vez con una antena de transmisión cercana, para alimentar un nodo sensor con una demanda de energía de 4,2 µW.