Dışbükey zarf tekniğine dayalı eğim kırınımı modelinin kablosuz enerji transferleri ile beslenen bir kablosuz algılayıcı ağ üzerine uygulanması
Application of slope uniform theory of diffraction with convex hull model onto a wireless sensor network powered by wireless energy transfer
Yazar: AHMET ZORLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET BARIŞ TABAKCIOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SELAHATTİN KOŞUNALP
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Algılayıcıların karmaşık görevleri yerine getirebilmeleri veya birden fazla fonksiyonu yapabilmeleri için bir ağ oluşturup merkezi bir noktadan yönetilmeleri gerekmektedir. Bu yapının kurulabilmesi için algılayıcıya işlemci, enerji birimi ve anten eklenerek Algılayıcı Düğümü (AD) olarak adlandırılan bir modül geliştirilmiştir. Birden fazla AD'nin biraraya gelmesi ile Kablosuz Algılayıcı Ağ (KAA)'lar meydana gelmektedir. KAA'lardaki en önemli çalışma alanı enerji verimliliği ve AD'ye enerji sağlanarak sürekli çalışmalarını sağlamaktır. 
Bu tezde AD'deki enerji verimliliğini sağlamak için geliştirilen MAC protokollerine değinilmiştir. AD'ye harici bir kaynaktan enerji sağlamak konusu ise detaylı bir şekilde incelenmiştir. Özellikle ortamdan enerji hasadı yapılması ve sabit bir kaynaktan KAA'ya enerji transfer edilmesinin avantajları/dezavantajları karşılaştırılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda RF enerji iletimi yöntemi üzerine yoğunlaşılmıştır. Enerjinin iletilmesi esnasında mesafe ve araya giren engeller sebebiyle kayıplar yaşanmakta ve enerji iletimi verimsiz olmaktadır.
Verici ve alıcı arasındaki enerji transferini hesaplayabilmek için Elektromanyetik Dalga Yayılım modelleri incelenmiştir. Bu modellerden Geometrik Optik (GO) , Fiziksel Optik (FO) , Geometrik Kırınım Teorisi (GKT), Fiziksel Kırınım Teorisi (FKT), Düzgün Kırınım Teorisi (DKT) ve Eğim Kırınımı Teorisi (EK) incelenmiştir. Sonrasında ise Dışbükey Zarf Tekniğine Dayalı Eğim Kırınımı Teorisi (EKDZ) detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda hesaplama süresi avantajı sebebiyle EKDZ'nin kullanılması kararlaştırılmıştır.
EKDZ'nin en önemli özelliklerinden birisi olan etkin olmayan binaların hesaplamalardan çıkarılması için Fresnel Bölgesi ve Dışbükey Zarf oluşturulmasını sağlayan yeni bir algoritma yazılıp MATLAB kodu geliştirilmiştir. Geliştirilen MATLAB kodu ile farklı senaryolar için hesaplamalar yapılmıştır. Frekansın artması ile Fresnel yarıçapının azaldığı gözlemlenmiştir. Geliştirilen MATLAB kodunda elde edilen çıktıları doğrulamak için yüksek frekans hesaplama programı FEKO ile kıyaslamalı olarak yapılan testlerde benzer sonuçlar elde edilmiştir.
Son olarak farklı noktalara konumlandırılan enerji istasyonu olarak kullanılan verici ile farklı konumlardaki ve yüksekliklerdeki alıcılar için test senaryoları oluşturulmuştur. Testler DKT, EK ve EKDZ metodları ile farklı frekanslarda yapılmıştır. Bu modellerden elde edilen çıktıların kıyaslamaları yapılmıştır. KAA'larda alıcı AD'lere en yüksek enerjinin sağlanabilmesi için vericinin konumlandırılacağı en uygun nokta tespit edilmiştir.

Abstract:
In order to perform complex tasks or multiple functions for sensors, they must build a network and be managed from a central point. In order to build this structure, a module called Sensor Node (SN) has been developed by adding processor, energy unit and antenna to the sensor. When multiple SNs come together, Wireless Sensor Networks (WSN) are formed. The most important work area in the WSNs are energy efficiency and providing energy to the SNs permanently.
In this thesis, the MAC protocols developed to provide energy efficiency in SNs were mentioned. Providing energy from an external source to SN subject was examined in details. Especially, the advantages/disadvanteges of energy harvesting from the environment and transfer energy from a fixed source to WSNs were compared. As a result of researches, we were focused on RF energy transfer. During energy transfer, losses occur due to the distance and disrupting obstacles between antennas, hence energy transfer was inefficient.
In order to calculate energy transfer between transmitter and receiver, electromagnetic wave propagation models were examined. Geometrical Optics (GO), Physical Optics (PO), Geometrical Theory of Diffraction (GTD), Physical Theory of Diffraction (PTD), Uniform Theory of Diffraction (UTD) and Slope Diffraction (S-UTD) models were mentioned. Afterwards, Slope Uniform Theory of Diffraction with Convex Hull (S-UTD-CH) was analyzed in detail. As a result of examinations, it was decided to use S-UTD-CH due to the advantage of calculation time.
The elimination of ineffective buildings from the calculations is one of the most important features of S-UTD-CH. To provide this a new algorithm was generated and a MATLAB code was developed to calculate Fresnel Zone and Convex Hull. Calculations were made for different scenerios with the MATLAB code developed. Fresnel zone radius is decreased with increasing of the frequency. To verify the outputs obtained in the developed MATLAB code, the high frequency calculation program FEKO was used. Similar results were obtained in both programs.
Finally, test scenerios have been generated for recievers at different location and heights with the transmitter used as an energy station positioned at different points. The tests are performed at different frequencies with UTD, S-UTD and S-UTD-CH models. The results of these models are compared. In WSNs the most suitable point for locating the transmitter has been identified to ensure the highest energy to receiving SNs.