title: Σχεδίαση και ανάπτυξη πλατφόρμας ασύρματης δικτύωσης περιβαλλοντικών αισθητήρων με υποστήριξη τροφοδοσίας από Energy Harvesting
title: Design and development of a wireless networking platform of environmental sensors with Energy Harvesting supported power supply
Creators: name: Γκιωνης Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: Η παρούσα εργασία είχε ως στόχο τη σχεδίαση και την ανάπτυξη δύο πρωτότυπων, αυτόνομων συστημάτων περιβαλλοντικών αισθητήρων, με υποστήριξη τροφοδοσίας από energy harvesting. Αναπτύχθηκαν ένα αυτόνομο θαλάσσιο σύστημα αισθητήρων και ένα αυτόνομο, επεκτάσιμο και ευέλικτο χερσαίο σύστημα με δυνατότητα τηλεμετρίας, που μπορεί να λειτουργεί ως πλατφόρμα διασύνδεσης αισθητήρων και ως κόμβος σε δίκτυο αισθητήρων. Η ενεργειακή αυτονομία και των δύο συστημάτων μπορεί να υποστηρίζεται από energy harvesters. Μελετήθηκαν διαφορετικές επιλογές energy harvesting και η επίδρασή τους στην αυτονομία του χερσαίου συστήματος, και δημιουργήθηκαν κατάλληλα προγράμματα για την ανάκτηση, την επεξεργασία και την αποθήκευση των δεδομένων που συλλέγονται από τα προτεινόμενα συστήματα αισθητήρων.
Το πρώτο μέρος της εργασίας αφορά στην παρουσίαση των δομικών μονάδων ενός συστήματος αισθητήρων καθώς και στη βιβλιογραφική έρευνα γύρω από τις τεχνολογίες που αξιοποιούνται σε ένα σύστημα και ένα δίκτυο αισθητήρων. Επίσης παρουσιάζονται διαφορετικές τεχνολογίες συγκομιδής ενέργειας (energy harvesting) καθώς και ο εξοπλισμός που χρειάζεται για την αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών σε εφαρμογές χαμηλής ισχύος. 
Το δεύτερο μέρος αφορά στη σχεδίαση των πρωτοτύπων συστημάτων αισθητήρων. Το πρώτο σύστημα αποσκοπεί στη συλλογή υποβρύχιων μετρήσεων της υδάτινης στήλης. Χρησιμοποιεί αισθητήρες αγωγιμότητας, θερμοκρασίας νερού, pH, υδροστατικής πίεσης και θολερότητας, και τα δεδομένα αποθηκεύονται τοπικά στο σύστημα σε μνήμη flash. Το δεύτερο σύστημα είναι μία πλατφόρμα διασύνδεσης αισθητήρων, η οποία παρέχει μεγάλη ευελιξία ως προς τον αριθμό και τον τύπο των αισθητήρων που μπορούν να διασυνδεθούν σε αυτή. Στην παρούσα εργασία, συνδέθηκαν σε αυτήν αισθητήρες θερμοκρασίας, βαρομετρικής πίεσης, σχετικής υγρασίας, ταχύτητας και διεύθυνσης ανέμου, έντασης ηλιακής και UV ακτινοβολίας, σωματιδίων σκόνης και βροχόπτωσης. Τα δεδομένα που συλλέγονται μπορούν είτε να αποθηκευτούν τοπικά είτε να μεταδοθούν ασύρματα, μέσω LoRa, στο σταθμό βάσης. Σημαντικό μέρος της σχεδίασης των συστημάτων είναι η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας με χρήση αποδοτικών τροφοδοτικών και τεχνικών εξοικονόμησης, ενώ το δεύτερο σύστημα αξιοποιεί energy harvesting για περαιτέρω βελτίωση της αυτονομίας του. Τα δύο συστήματα κατασκευάστηκαν με χρήση πρωτότυπου εξοπλισμού εκτύπωσης PCB πλακετών.
Μεγάλη έμφαση δόθηκε και στην ανάπτυξη πρωτότυπων energy harvesters καθώς και κυκλωμάτων διαχείρισης της ενέργειάς τους. Αναπτύχθηκαν ένας φωτοβολταϊκός, ένας θερμοηλεκτρικός, ένας ηλεκτρομαγνητικός και ένας πιεζοηλεκτρικός energy harvester τύπου σημαίας.
Το τρίτο μέρος παρουσιάζει την σχεδίαση των πειραματικών διατάξεων για τη μελέτη τόσο των συστημάτων αισθητήρων, όσο και των συστημάτων energy harvesting. Το θαλάσσιο σύστημα αισθητήρων τοποθετήθηκε σε κατάλληλο στεγανό κουτί, με τα αισθητήρια να έχουν πρόσβαση στο νερό, και προσαρτήθηκε σε καταδυτικό κλωβό. Το χερσαίο σύστημα τοποθετήθηκε σε ειδικό κουτί που παρέχει προστασία των ηλεκτρονικών πλακετών και τοποθετήθηκε σε ιστό μαζί με τους περιφερειακούς αισθητήρες. Επίσης σχεδιάστηκαν διατάξεις για τη μελέτη της απόδοσης των συστημάτων energy harvesting, καταγράφοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες και την κατάστασή τους και προσομοιώνοντας, όπου ήταν αναγκαίο, ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας.
Το τέταρτο μέρος της εργασίας αφορά στα αποτελέσματα των πειραματικών διατάξεων. Από τη μελέτη των energy harvesters προέκυψε ότι ο φωτοβολταϊκός harvester είχε μέγιστη απόδοση 9.41\%, ενώ η παραγόμενη ισχύς του αρκεί ώστε το χερσαίο σύστημα να επιτύχει πλήρη ενεργειακή αυτονομία για περιόδους δειγματοληψίας μεγαλύτερες των 10 λεπτών. Ο θερμοηλεκτρικός harvester παράγει αρκετά χαμηλότερη ισχύ και καταλαμβάνει συνολικά αρκετά μεγαλύτερο χώρο με συνέπεια να υστερεί σημαντικά του φωτοβολταϊκού, ιδίως λαμβάνοντας υπόψιν ότι στη συγκεκριμένη εφαρμογή αξιοποιούν την ίδια πηγή ενέργειας (ηλιακή ακτινοβολία). Ο πιεζοηλεκτρικός harvester ήταν επίσης πλήρως λειτουργικός, ωστόσο χρειάζεται η αξιοποίηση περισσότερων πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων προκειμένου να συνεισφέρει ουσιαστικά στην αυτονομία του συστήματος. Τέλος, ο ηλεκτρομαγνητικός harvester παράγει αρκετά χαμηλή τάση εξόδου, οπότε δεν αξιοποιήθηκε.
Επιπλέον παρουσιάζονται εναλλακτικά σενάρια κατανάλωσης και αυτονομίας για το χερσαίο σύστημα, μελετώντας την επίδραση της περιόδου δειγματοληψίας και του φωτοβολταϊκού energy harvesting. Όσον αφορά στα δεδομένα των μετρήσεων των συστημάτων αισθητήρων, για το χερσαίο σύστημα αναπτύχθηκε ειδικό software στο σταθμό βάσης που λαμβάνει και ανακτά σε αξιοποιήσιμη μορφή τα δεδομένα, ενώ αντίστοιχα για το θαλάσσιο σύστημα υπάρχει ένα αντίστοιχο software προεπεξεργασίας των δεδομένων προκειμένου να γίνουν αξιοποιήσιμα. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει μέσω του software SensorDataPlotter και του γραφικού περιβάλλοντος που παρέχει, το χρονικό διάστημα και τον τύπο των μετρήσεων που τον ενδιαφέρει και είτε να δημιουργήσει διαγράμματα με τις μετρήσεις που έχουν συλλεχθεί, είτε να αποθηκεύσει τα δεδομένα της επιλογής του σε ξεχωριστό αρχείο.
Τέλος στο πέμπτο μέρος παρουσιάζονται αναλυτικά τα συμπεράσματα της εργασίας και προτείνονται πιθανές βελτιώσεις και επεκτάσεις των συστημάτων που αναπτύχθηκαν, καθώς και προοπτικές για πιο αποδοτική αξιοποίηση κατάλληλων energy harvesters για κάθε εφαρμογή.
description: The aim of the present thesis is to design and develop two original environmental sensors systems, with energy harvesting supported power supply. The first system is autonomous and is used in marine environments, and the second is an autonomous, highly expandable and versatile terrestrial system with telemetry capabilities, which can function both as a sensors interface platform and as a node in a sensors network. 
Both systems can improve their autonomy by incorporating energy harvesting devices. Several different energy harvesting techniques  where studied, as well as their impact on the terrestrial system's autonomy and  a special software was developed in order to support the retrieval, processing and storage of the data collected by the proposed sensors systems.
The first part of the thesis discusses the theoretical background behind the technologies and the basic components used in sensors systems and networks. Furthermore, various energy harvesting techniques are presented, as well as the required equipment needed in order to efficiently harvest energy from renewable energy sources in low power applications.
The second part presents the design of the two prototypes: The first system is used for underwater measurements of the water column. It utilizes sensors for conductivity, water temperature, pH, hydrostatic pressure, and turbidity, and its data are stored locally in a flash memory. The  second system  is a sensors' interface platform, which provides great versatility in the number and type of sensors to be connected. In this thesis, a temperature, barometric pressure and relative humidity sensor, an anemometer, a UV and solar radiation sensor, a dust sensor and a rain sensor are used. The collected measurement data can either be stored locally, or transmitted to the base station via LoRa. 
A very important aspect of both systems designs was the minimization of their power consumption, by utilizing highly effective power supplies as well as energy saving techniques. The second system also utilizes energy harvesting to further improve its autonomy. Both systems were constructed by using prototype PCB printing equipment.
Emphasis was given in the development of prototype energy harvesters as well as their energy management circuits. A photovoltaic, a thermoelectric, an electromagnetic and a piezoelectric "flag type" harvester were constructed. 
The third part presents the design of the experimental setups used to study and verify the functionality of both sensors systems and the energy harvesting systems. The marine sensors system was placed in a suitable waterproof housing, with the sensors protruding from it, and was attached to a diving cage. The terrestrial system was also placed in a waterproof housing, to protect its electronic circuits, and was attached to a mast together with the peripheral sensors. Furthermore, experimental setups were designed to study the performance of the energy harvester systems, by simultaneously monitoring and recording the harvesters' output and the environmental conditions during the experiment, and also by simulating realistic environmental conditions, where needed.
The fourth part of the thesis presents and discusses the results of the conducted experiments. The energy harvesters' analysis showed that the photovoltaic harvester achieved a maximum efficiency of 9.41\%, and its power was sufficient to provide total energy autonomy to the terrestrial system, for sampling periods greater than 10 minutes. The thermoelectric harvester provides less power and it requires significantly larger space in order to be installed, and subsequently is overall inferior to the photovoltaic harvester, especially considering that in the proposed application, both harvesters utilize the same energy source (solar radiation). The piezoelectric harvester proved to be fully functional, however, more piezoelectric crystals have to be used in order for the harvester to have a noteworthy contribution to the autonomy of the sensors system. Lastly, the electromagnetic harvester had a very low output voltage, and therefore, it was not used.
Moreover, different power consumption and autonomy scenarios and strategies are discussed for the second system, investigating the effect of the sampling period and the photovoltaic energy harvesting. Furthermore, suitable software was developed for the base station to retrieve and preprocess the transmitted data from the terrestrial system, and to preprocess the data of the marine system. The user can then access the data using the graphical interface of the prototype SensorDataPlotter program, select the time period and measurements of interest, and either plot them or store them in a dedicated file.
The fith part presents in detail the conclusions of the thesis and several improvements and extensions to the proposed systems are suggested. Finally, several possible ways are discussed for an improved utilization of energy harvesters, depending on the application's specifications.