ENERGY HARVESTING SYSTEMS FOR IoT DEVICES: MODELLING AND DESIG

The advances in semiconductor and wireless communications technologies in recent years, in terms of computing power, total device size, cost and energy consumption, made it possible to develop battery-powered systems that can be used to monitor, sense and control the physical environment, even in remote locations where a connection to an electrical power outlet is not available. One application for these technologies are IoT devices such as wireless smart sensors and smart meters, a combination of a microprocessor-controlled metering system and a wireless communications link; a smart meter measures a physical quantity such as electrical energy or gas consumption in a unit time and sends this information to the utility company for billing purposes. The main advantages for the operators with respect to the traditional mechanical or electromechanical metering systems are the reduction in the operating expenses (OPEX, in business terminology) of the billing service, since the periodic reading of the meter by an employee is avoided, an increased accuracy of the measurements, the possibility of offering the customers multiple tariffs and lastly a more effective anti-tampering protection. They are also a key component of smart grids, which are networks that can automatically monitor energy, water or gas flow and react to the variation of supply and demand. To extend the life of these devices beyond what is possible using only batteries, energy harvesting techniques can be employed to extract energy from the ambient. In some particular cases it can even be possible to eliminate the battery altogether and build energetically-autonomous systems, increasing their lifespan, considering that in most cases they are replaced when the battery is exhausted, and reducing both costs and the recycling effort at the end-of-life of the product. In this work, a study of energy harvesting technologies that can be used to increase the battery life of smart sensors or smart meters and results in a prototype which is capable of sending data wirelessly using an NB-IoT modem to connect to cellular networks, while extracting from the surrounding ambient the power it needs to operate.

MODELLIZZAZIONE E PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI ENERGY HARVESTING PER DISPOSITIVI IoT. I progressi negli ultimi anni nelle tecnologie dei semiconduttori e delle comunicazioni radio in termini di potenza di calcolo, consumo energetico, dimensioni e costo dei dispositivi hanno permesso di sviluppare sistemi alimentati a batteria che possono essere utilizzati nel monitoraggio, telerilevamento e telecontrollo anche in luoghi remoti dove non è disponibile una connessione ad una rete elettrica di alimentazione. Un esempio di applicazione di queste tecnologie sono i cosiddetti smart meters (contatori intelligenti), sistemi metrologici controllati da microprocessore che integrano un sistema di comunicazione radio; un contatore elettronico misura quindi una o più grandezze fisiche e invia queste informazioni alla società di fornitura per la fatturazione. I principali vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi meccanici od elettromeccanici sono la riduzione dei costi di gestione del servizio di fatturazione, in quanto non richiedono una lettura periodica da parte di un addetto, una maggiore accuratezza delle misurazioni, la possibilità di offrire ai propri clienti una tariffa multioraria ed una maggiore protezione contro la manomissione. Sono anche un componente fondamentale delle reti intelligenti di distribuzione, che sono in grado di monitorare il flusso di gas o energia e di adattarsi alla variazione dell'offerta e della domanda. Per prolungare la vita utile di questi dispositivi oltre a quanto è possibile fare utilizzando unicamente batterie, possono essere impiegate tecniche di energy harvesting per estrarre energia dall'ambiente. In alcuni casi particolari può anche essere possibile eliminare del tutto le batterie e realizzare così sistemi energeticamente autonomi, meno costosi e più facili da smaltire a fine vita. In questo lavoro di tesi, dopo uno studio delle tecnologie di energy harvesting utilizzabili per alimentare uno smart meter, viene progettato e realizzato un prototipo che utilizza un modem radio per inviare periodicamente dati su reti di telecomunicazione cellulare e che è alimentato unicamente dall’energia estratta dall’ambiente circostante tramite energy harvesting.