Electromagnetic energy harvesting to power low power consumption connected objects
Récupération d'énergie électromagnétique pour alimenter des objets connectés à faible consommation
Résumé
While the IoT is exploding, this manuscript transcribes the PhD thesis work done in order to look at the feasibility of substituting batteries, power source of connected objects by WiFi waves in the ISM band at 2.4 GHz. This substitution represents today a challenge of sustainable development of the IoT for the saving of consumable resources that are batteries. Powering the entire IoT with batteries could represent up to 60 million tons (0.02%) of greenhouse gas emissions each year.The energy constraints of the system that would be powered solely by harvesting the surrounding WiFi waves need to be defined. Measurements of power consumption of a connected object measuring temperature, pressure and humidity and transmitting these data via Bluetooth Low Energy (BLE) are carried out and are of the order of 200 µJ. The second constraint of the system is the source of this energy, i.e. the power of WiFi signals. A measurement protocol allows us to establish the average transmission power of a WiFi router from a network traffic flow of the router. We can thus quickly judge if an environment is favorable or not to this type of installation by simply measuring the network traffic.We then set up the development of a rectenna (rectifying antenna) in order to convert the WiFi RF waves into DC voltage, i.e. a source of energy usable by the connected object. Considering the measurements we have been able to make on the power of the surrounding WiFi signals, we estimate that the system will have to work with power signals of the order of -20 dBm. We therefore take the bet to design a rectenna based on a very simple schematic of a single-wave rectifier using only one Schottky diode. The state of the art confirms us in the idea that a more complex schematic would lead to a drop in efficiency by the weakness of the signal. This converter, simulated and optimized via the Keysight ADS software, can then measure DC voltages up to 150 mV with an incident RF signal of -20 dBm in the ISM band.However, 1.8 V to 3.3 V are required for this type of system. We then resort to a voltage booster capable of providing this voltage from an incident voltage of 20 mV. Nevertheless, an impedance matching problem with our converter leads to a too important voltage drop. Moreover, the energy harvested at the output of the converter being too weak to initiate instantaneously the rise in voltage, an intermediate energy storage is necessary. We then set up an appropriate circuit for RF energy harvesting, based on a super capacitor surrounded by switches. We can either isolate the super capacitor with the converter to store the energy at an optimal voltage, or isolate this super capacitor charged to the right voltage with the voltage booster. In the second case, it acts as a source of energy and thus allows the up-conversion.A test bench is realized with externally powered switches to show how such an architecture works. Our connected object is able to transmit its data at least once per hour while being located at 1 m from the WiFi terminal with a network traffic of 25 Mbps.This addition of switches is not without problems. They must be self-powered and capable of triggering on a voltage as low as a hundred millivolts. We study the design of these switches based on a MOSFET voltage comparator. In view of the low voltage to be monitored, a study of the "shubthreshold" operation of MOSFETs is carried out to establish a list of parameters allowing the operation of the comparator. Future works would concern the possibility of realizing such switches, to obtain an autonomous system.
Alors que l'IoT explose, ce manuscrit retranscrit les travaux de thèse réalisés dans le but de poser un regard sur la faisabilité de substituer les piles, source d'alimentation des objets connectés par les ondes WiFi dans la bande ISM à 2.4 GHz. Cette substitution représente aujourd'hui un enjeu de développement durable de l'IoT pour l'économie des ressources consommables que sont les piles. Alimenter l'intégralité de l'IoT avec des piles pourrait représenter jusqu'à 60 millions de tonnes (0.02%) d'émission de gaz à effet de serre chaque année.Il convient de définir les contraintes énergétiques du système qui serait uniquement alimenté par la récupération des ondes WiFi environnantes. Des mesures de consommation électrique d'un objet connecté mesurant la température, la pression et l'humidité et transmettant ces données via du Bluetooth Low Energy (BLE) sont réalisées et sont de l'ordre de 200 µJ. La seconde contrainte du système est la provenance de cette énergie, i.e. la puissance des ondes WiFi. Un protocole de mesure nous permet d'établir la puissance moyenne d'émission d'un routeur WiFi à partir d'un débit du réseau du routeur. Nous pourrons ainsi juger rapidement si un milieu est favorable ou non à ce type d'installation par simple mesure du débit.Nous avons ensuite mis en place le développement d'une rectenna (rectifying antenna) afin de convertir les ondes RF WiFi en tension continue DC, i.e. une source d'énergie utilisable par l'objet connecté. Au regard des campagnes de mesures que nous avons pu réaliser sur la puissance des signaux WiFi environnants, nous estimons que le système devra fonctionner avec des signaux de puissance de l'ordre de -20 dBm. Nous prenons donc le pari de concevoir une rectenna reposant sur un schéma très simple de redresseur mono alternance utilisant qu'une seule diode Schottky. L'état de l'art nous conforte dans l'idée qu'un schéma plus complexe entrainerait une chute de l'efficacité par la faiblesse du signal. Ce convertisseur, simulé et optimisé via le logiciel Keysight ADS, permet alors de mesurer des tensions DC allant jusqu'à 150 mV avec un signal incident RF d'une puissance de -20 dBm dans la bande ISM.Cependant, 1.8 V à 3.3 V sont nécessaires pour ce type de système. Nous avons alors recours à un élévateur de tension capable de fournir cette tension à partir d'une tension incidente de 20 mV. Néanmoins, un problème d'adaptation d'impédance avec notre convertisseur entraine une chute de tension trop importante. De plus, l'énergie récupérée en sortie du convertisseur étant trop faible pour initier instantanément l'élévation de tension, un stockage d'énergie intermédiaire est nécessaire. Nous mettons alors en place un circuit approprié pour la récupération d'énergie RF qui repose sur un super condensateur entouré d'interrupteurs. Nous pouvons tantôt isoler le super condensateur avec le convertisseur pour stocker l'énergie à une tension optimale, tantôt isoler ce super condensateur chargé à la bonne tension avec l'élévateur de tension. Il agit alors dans le second cas comme une source d'énergie et permet donc la conversion.Un banc de test réalisé avec des interrupteurs alimentés en externe montre le fonctionnement d'une telle architecture. Notre objet connecté est en mesure de transmettre ses données au moins une fois par heure en étant situé à 1 m de la borne WiFi ayant un trafic réseau de 25 Mbps.Cet ajout d'interrupteurs n'est pas sans créer de problème. Ils doivent être auto alimentés et capables de se déclencher sur une tension aussi faible qu'une centaine de millivolts. Nous étudions la conception de ces interrupteurs à partir d'un comparateur de tension à base de MOSFET. Au vu de la faible tension à surveiller, une étude du fonctionnement «shubthreshold» des MOSFET est réalisée pour établir une liste de paramètres permettant le fonctionnement du comparateur. Des futurs travaux concerneraient la possibilité de réaliser de tels interrupteurs, pour obtenir un système autonome.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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