Αναζήτηση

Πλοήγηση

• Κοινότητες
• Συγγραφείς
• Έτος
• Τίτλοι
• Θέματα

Ο Χώρος μου

• Είσοδος

Σχεδίαση και ανάπτυξη πλατφόρμας ασύρματης δικτύωσης περιβαλλοντικών αισθητήρων με υποστήριξη τροφοδοσίας από Energy Harvesting

Gkionis Nikolaos

Πλήρης Εγγραφή

---

Περίληψη

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

Διαθέσιμα αρχεία

Υπηρεσίες