IoT systems and wireless power transfer protocols in ad-hoc communication networks
Authors: Κατσιδήμας Ιωάννης 
Published: August 2024

Οι τεχνικές διατήρησης και αναπλήρωσης ενέργειας στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών έχουν γίνει ιδιαίτερα δημοφιλείς τα τελευταία χρόνια. Οι ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας (Wireless Power Transmission) έχουν σημαντικό αντίκτυπο στα δίκτυα αισθητήρων και γενικότερα στα δίκτυα επικοινωνιών με περιορισμούς ενέργειας, ανοίγοντας το δρόμο για νέες μεθόδους διαχείρισης ενέργειας στα ασύρματα συστήματα. Μέχρι πρόσφατα, η υπάρχουσα έρευνα εστίαζε κυρίως στη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής του δικτύου, στη βελτίωση της απόδοσης φόρτισης, στην ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης κατά τη φόρτιση κ.λπ. Η πιο πρόσφατη έρευνα έχει ήδη αρχίσει να εξετάζει αλγοριθμικές λύσεις για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκύπτουν. Ταυτόχρονα, τόσο η εξέλιξη όσο και η εφαρμογή των συστημάτων ΤΠΕ σε πολύ σημαντικούς τομείς της ζωής μας (βιομηχανία, έξυπνο σπίτι, έξυπνες πόλεις κ.λπ.) είναι ραγδαία. Οι συσκευές IoT (συσκευές συνδεδεμένες στο διαδίκτυο) πρέπει να μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιοδήποτε μέρος και να έχουν πρόσβαση σε αυτές από παντού. Ένας μεγάλος αριθμός από αυτές τις συσκευές εκτελεί εργασίες παρακολούθησης και ελέγχου σε «έξυπνες» εφαρμογές καθώς και σε δυσπρόσιτες περιοχές. Για την επιτυχή υλοποίηση αυτών των εφαρμογών, μια συσκευή IoT θα πρέπει να είναι μικρή και αυτόνομη, ενώ να ενσωματώνει αισθητήρες, δυνατότητες επεξεργασίας δεδομένων και ασύρματης επικοινωνίας. Αυτές οι απλές συνθήκες συνεπάγονται περιορισμούς αποθήκευσης και διαχείρισης ενέργειας για τις συσκευές IoT προκειμένου να διασφαλιστεί η συνεχής λειτουργία τους, καθώς ούτε η αντικατάσταση του καλωδίου ρεύματος ούτε η μπαταρία είναι βιώσιμες επιλογές υπό αυτές τις συνθήκες ή απλώς λόγω της ευελιξίας (γρήγορη εγκατάσταση χωρίς καλώδιο, χωρίς συντήρηση ). Μεγάλες ευκαιρίες ανάπτυξης αναμένονται τα επόμενα χρόνια στις τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης ενέργειας και ηλιακής συγκομιδής που έχουν εγκριθεί για την τροφοδοσία συσκευών IoT. Αυτή η αύξηση δικαιολογείται από σημαντικές προόδους στην επιστήμη των υλικών, τη μηχανική και την εκτεταμένη κατασκευή πρωτοτύπων. Καινοτόμες λύσεις αποθήκευσης ενέργειας για το IoT έχουν ήδη εμφανιστεί στην αγορά. Όσον αφορά τη διαχείριση ενέργειας, μια σειρά ολοκληρωμένων λύσεων είναι διαθέσιμη στην αγορά για την παροχή συσκευών IoT που ποικίλλουν από το σπίτι, έως και τις βιομηχανικές εφαρμογές. Η φόρτιση ραδιοσυχνοτήτων, μαζί με άλλες τεχνολογίες WPT και μηχανές συγκομιδής ενέργειας περιβάλλοντος είναι σήμερα βιώσιμες ολοκληρωμένες πηγές ενέργειας για μικρές, φορητές ή μη συσκευές. Σε αυτή τη διατριβή, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι αποτελεσματικής ασύρματης φόρτισης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για τη βελτίωση της ποιότητας φόρτισης των μη δομημένων δικτύων επικοινωνίας και την ανάπτυξη συστημάτων IoT που θα μπορούν να χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε νέες αλγοριθμικές μεθόδους που βασίζονται σε ένα νέο, πιο ρεαλιστικό και ακριβές μοντέλο ασύρματης μεταφοράς ισχύος, το οποίο μπορεί να συλλάβει αποτελεσματικά εποικοδομητικές και καταστροφικές παρεμβολές των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτές οι μέθοδοι αντιμετωπίζουν προβλήματα όπως i) το επίπεδο ισχύος του φορτιστή, η διαμόρφωση φάσης και η ανάπτυξη προς τη μεγιστοποίηση της ισχύος και ii) η εύρεση διαδρομών ακτινοβολίας χαμηλού EM στα συστήματα WPT. Εκτός από την αλγοριθμική προοπτική, οι σύγχρονες προσεγγίσεις παροχής ενέργειας στοχεύουν στο συνδυασμό διαφορετικών τεχνολογιών που αποσυνδέουν τη συλλογή από το περιβάλλον και διαχειρίζονται αποτελεσματικά τη διαθέσιμη ενέργεια. Έτσι, παρουσιάζουμε νέες πλατφόρμες διαχείρισης ενέργειας IoT που ενσωματώνουν τόσο τη φόρτιση ραδιοσυχνοτήτων όσο και τη συλλογή ενέργειας περιβάλλοντος σε συσκευές ανίχνευσης ισχύος και επικοινωνίας. Αυτές οι πλατφόρμες χρησιμοποιούνται σε μια πραγματική εφαρμογή στο πλαίσιο των Smart Roads και είναι υπεύθυνες για την τροφοδοσία μιας λίστας αισθητήρων και της αντίστοιχης μονάδας επικοινωνίας με επαρκή τρόπο.