Design of electronic circuits for IoT applications
Authors: Αγοραστού Ζωή 
Published: February 2024

Η ανάδυση της εποχής του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things, IoT), καθιστά εφικτή την ανάπτυξη απεριόριστου αριθμού υπηρεσιών και εφαρμογών. Η χρήση ποικίλων αισθητήρων σε συστήματα IoT είναι διαδεδομένη σε εφαρμογές που αφορούν τους τομείς της υγείας, του περιβάλλοντος, της πρόγνωσης του καιρού, της κυκλοφοριακής ροής κλπ. Καθώς η πλειοψηφία των συστημάτων αισθητήρων εγκαθίσταται σε απομακρυσμένα και δυσπρόσιτα περιβάλλοντα, όπου αναμένεται να λειτουργούν για μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς την ανάγκη συχνής αντικατάστασης μπαταριών, η ενεργειακά αποδοτική λειτουργία τους αποτελεί κρίσιμη παράμετρο. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές και βελτιώσεις σχεδίασης ώστε να παρατείνεται η λειτουργία των συστημάτων αυτών, όπως ο διακοπτόμενος τρόπος λειτουργίας των αισθητήρων, η συγκομιδή ενέργειας από περιβάλλουσες πηγές ενέργειας, καθώς και η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης των ηλεκτρονικών του αισθητήρα. Είναι απαραίτητο η βελτιστοποίηση στην κατανάλωση της ενέργειας κατά τη σχεδίαση να μην επηρεάζει την αποδοτική λειτουργία του συστήματος αισθητήρα, δηλαδή η λειτουργία με χαμηλό θόρυβο να μην ανταλλάσσεται με τη λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης. Επιλέχθηκε για μελέτη ο αισθητήρας μέτρησης ηλεκτρικού πεδίου (electric field mill) ως παράδειγμα αισθητήρα, ο οποίος τοποθετείται σε απομακρυσμένες περιοχές και λειτουργεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Επιπρόσθετα, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως αισθητήρας σε δυσπρόσιτα περιβάλλοντα (γέφυρες, οδώστρωμα, επιφάνειες κτιρίων), εξετάζεται σε εφαρμογές όπου αξιοποιείται η δυνατότητα χρήσης του και ως μετατροπέα ενέργειας για τη σχεδίαση αυτοτροφοδοτούμενων IoT συστημάτων αισθητήρων. Στο πρώτο σκέλος της διατριβής περιγράφονται τα σημαντικότερα δομικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα ηλεκτρικού πεδίου, καθώς και οι παράμετροι που δύνανται να επηρεάσουν την ευαισθησία ή την αποδοτική λειτουργία του. Σχεδιάζεται μία υλοποίηση των κυκλωμάτων της διεπαφής του αισθητήρα με διακριτά στοιχεία, καθώς και μία ολοκληρωμένη υλοποίηση, αμφότερες με γνώμονα τις απαιτήσεις χαμηλού θορύβου του σταδίου προενίσχυσης και τη χαμηλή κατανάλωση του συνολικού συστήματος. Στη συνέχεια πραγματοποιείται μια επισκόπηση τεχνικών και αλγορίθμων εντοπισμού του σημείου λειτουργίας μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, MPPT) που χρησιμοποιούνται σε συστήματα συγκομιδής ενέργειας τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα ενεργειακά αυτόνομης λειτουργίας των συστημάτων αισθητήρων και παρουσιάζονται κυκλώματα τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε τέτοια συστήματα. Εξετάζεται ένα κύκλωμα συγκομιδής ενέργειας το οποίο μπορεί να τροφοδοτήσει με διακοπτόμενο τρόπο τη λειτουργία ενός ασύρματου κόμβου αισθητήρα (Wireless Sensor Node), καθώς και ενός αισθητήρα ηλεκτρικού πεδίου χαμηλής κατανάλωσης και των ηλεκτρονικών ανάγνωσής του. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η δυνατότητα ταυτόχρονης χρήσης του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου ως αισθητήρα και ως μετατροπέα ενέργειας και επαληθεύεται μέσω δύο εφαρμογών: η πρώτη αφορά τη μέτρηση ενός φορτίου σε κίνηση (Weigh-in-Motion), όπου το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο εκτός από αισθητήρας χρησιμοποιείται και σε ένα σύστημα συγκομιδής ενέργειας και η δεύτερη αποτελεί μια υλοποίηση τεχνικής MPPT για πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς ενέργειας. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.