ENERGY HARVESTING PARA DISPOSITIVOS IoT...

Lourival Lippmann Junior

ENERGY HARVESTING PARA DISPOSITIVOS IoT AUTOSSUSTENTÁVEIS

CONECTIVIDADE

ENERGY HARVESTING

Internet das Coisas- IoT; Smart grid; Smart City; ... etc.

Para que serve ?

CONECTIVIDADE AUTOSSUSTENTÁVEL

CONECTIVIDADE

CONECTIVIDADE DE REDES DE COMUNICAÇÃO

TOPOLOGIAS PARA CONECTIVIDADE

Ponto a ponto Árvore Estrela

Barramento Anel Mesh

PROTOCOLOS DE REDES DE COMUNICAÇÃO

Qual o melhor PROTOCOLO de comunicação para IoT ?

Cuidado!!!

PROTOCOLOS DE REDES DE COMUNICAÇÃO

Qual o melhor PROTOCOLO de comunicação para IoT ?

PROBLEMA DA ESCOLHA DA FREQUÊNCIA DE RF

ISM = Industrial, Scientific and Medical radio bands São faixas de frequência internacionais que não necessitam licença de uso.

LICENCIADAS versus NÃO LICENCIADAS ?

PROBLEMA DA ESCOLHA DA FREQUÊNCIA DE RF INTERFERÊNCIA EM FAIXAS DE RF

900 MHz

2.4 GHz

TECNOLOGIAS EM FREQUÊNCIAS LICENCIADAS = Long Term Evolution => FUTURO DA TELEFONIA CELULAR

PROTOCOLOS => rede LoRaWAN

LoRa => Long Range ou

(Alto Alcance)

=>

PROTOCOLOS => rede LoRaWAN vantagem: frequência não licenciada (900 Mhz) Longo alcance baixo consumo alta capacidade baixo custo


Segredo do LoRaWAN

Modulação CHIRP


Fabricantes e parceiros tecnológicos


Resultados de testes de alcance na Califórnia

Alcance: ~ 15 Km


Resultados de testes em Curitiba

Potência: 100 mW Alcance: 12,3 Km


Topologia Estrela

APLICAÇÕES IoT COM LORAWAN

PROTOCOLOS => Resumo TECNOLOGIAS EM FREQUÊNCIAS NÃO LICENCIADAS

Protocolo Internet - IP

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ARQUITETURA EM CAMADAS

6LoWPAN ZigBee

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ARQUITETURA EM CAMADAS

IETF = organismo internacional que regulamenta a Internet

PROTOCOLOS 6LoWPAN/Wi-SUN - Aplicações

IEEE = Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos

Wi-Fi (IEEE 802.11 a/b/g/n) Bluetooth (IEEE 802.15.1) UWB (IEEE 802.15.3) ZigBee (IEEE 802.15.4) 6LowPAN (IEEE 802.15.4g) Wi-SUN (IEEE 802.15.4e) ... etc

Exemplos de protocolos baseados em padrões do IEEE:

PROTOCOLOS

Versões do IEEE 802.15.4

IEEE802.15.4 características e comentários

IEEE 802.15.4-2003

Primeira versão da norma, definiu duas camadas físicas uma na faixa de 868 ou 915 MHz e outra em 2.4 GHz;

IEEE 802.15.4-2006

Nesta revisão de norma de 2006, foi aumentada a taxa de dados permitida para a banda baixa e definidos 4 novos métodos de modulação: 3 para a banda baixa e 1 para a banda alta;

IEEE 802.15.4a Esta versão definiu 2 novos tipos de camadas físicas: 1 para atender a tecnologia UWB(ultraband) e outra para modulação chirp spectrum na banda alta;

IEEE 802.15.4c Atualizações para 2.4 GHz , 868 MHz, 915 MHz, banda chinesa de 779-787 MHz;

IEEE 802.15.4d Atualizações para 2.4 GHz, 868 MHz, 915 MHz,banda japonesa de 950-956 MHz;

IEEE 802.15.4e Esta versão define aperfeiçoamentos na camada MAC para suportar aplicações com frequency Hopping;

IEEE 802.15.4f Esta versão revisou a camada física para UWB e definiu modulação na banda de 433 MHz;

IEEE 802.15.4g Esta atualização definiu nova camada física mais imune a ruído permitindo aplicações industriais e de smart grid, inclui também a banda de 902 a 928 MHz;

PROTOCOLOS

IEEE802.15.4e => TSCH – Time Slotted Channel Hopping (2012)

Time Slotted => significa sincronizado, cada nó só transmite/recebe no seu slot de tempo;

Vantagens: - diminui o conflito de mensagens( livre de colisões ao invés de

Collision Avoindance); - reduz o consumo de energia;

Channel Hopping => significa não transmitir continuamente no mesmo canal, mas sim saltando entre os canais a cada novo slot de transmissão;

Vantagens: - Melhora a imunidade à radio interferência externa e “fading”; - Aumenta a confiabilidade e robustes na comunicação entre os

nós;

PROTOCOLOS

• O mensagens são divididas em slots de duração fixa; • Um conjunto de até 100 slots forma um Frame de slots; • Um Frame de slots é um grupo de slots que se repete continuamente; • Um único slot deve ser grande o suficiente para transmitir o pacote de tamanho

máximo e ainda receber a mensagem ACK;


PROTOCOLOS

ch 5 ch 12 ch 3 ch 10

ASN = Absolute Slot Number

Exemplo: Algoritmo de translação para cálculo do salto de frequência:

freq = Função { (ASN + ch_Offset) módulo 16 }

ASN chOffset mod freq

4 1 - 5

11 1 - 12

18 1 19-16 3

25 1 26-16 10


PROTOCOLOS

Como saber QUEM são os vizinhos em uma Rede Mesh ?

PROTOCOLOS => ROTEAMENTO

Algumas definições: • LLN (Low Power and Lossy Network); • RPL (Protocolo de roteamento para redes com perdas e de baixo consumo) • ROLL (Routing Over Low Power and Lossy Networks)

Estas redes LLNs, frequentemente apresentam baixa velocidade, pequenos pacotes de dados e os links são frequentemente instáveis. O tráfego pode conter milhares de nós.

Redes Urbanas => RFC5546; Redes Industriais => RFC5673; Redes Automação Residencial =>RFC5826; Redes Automação Predial => RFC5867; ...

O que é uma “RFC” ? Request for Comments do IETF(Internet Engineering Task Force)

PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL

O algoritmo RPL é formado através de um conjunto de Grafos Orientados, denominados DODAGs (Destination Oriented Acyclic Graphs)

• O rank (R) de cada nó define a posição do nó relativa aos demais nós daquele grafo, referenciados à raiz do grafo (R=0);

• Cada numeração cria uma nova versão do grafo;


Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:

DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;


1.O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);

2 4

3

1

6

5 7




1. O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);

2. O nó raiz recebe as mensagens dos vizinhos (DAO)=Destination Advertisement Object; 2 4

3

1

6

5 7




2 4

3

1

6

5 7


2. O nó raiz recebe as mensagens dos vizinhos (DAO) =Destination Advertisement Object;

3. Os demais nós agora também enviam mensagens de broadcast (DIO);




2 4

3

1

6

5 7




4. Os vizinhos também recebem as mensagens dos vizinhos de baixo; OK




2 4

3

1

6

5 7

1. O nó raiz envia periodicamente

2. mensagens de broadcast (DIO);



5. Os vizinhos também recebem as mensagens dos vizinhos de baixo; OK

6. Continuam fazendo update periódico para atualizar rotas;

2 4

3

1

6

5 7

PING 3 ?

E se o Centro de Supervisão quiser fazer um PING em um nó qualquer:


2 4

3

1

6

5 7

PING 3

PING 3

PING 3

• Basta enviar mensagem para o nó raiz, que verifica em sua tabela, que para acessar o nó 3, tem que acessar primeiro o nó 2;

• O nó 2 ao verificar que esta mensagem vem do nó 1 e tem como destino o nó 3, verifica na sua tabela, e retransmite a mensagem para o nó 3, destino final.

E se o Centro de Supervisão quiser fazer um PING em um nó qualquer:


“Obter energia alternativa, presente no próprio meio ambiente, para energizar dispositivos eletrônicos que passam a ser autossustentáveis”.

ENERGY HARVESTING

SOLAR RÁDIO FREQUÊNCIA TERMOELETRICIDADE VIBRAÇÃO MAGNÉTICA

ENERGY HARVESTING

Efeito PELTIER (1834) = gera diferença de temperatura a partir da energia elétrica; Efeito SEEBECK (1821) = gera energia elétrica a partir da diferença de temperatura;

Diferença de temperatura Célula Peltier/Seebeck

ENERGY HARVESTING

Possíveis aplicações do efeito Seebeck para IoT:

Diferença de temperatura

ENERGY HARVESTING

Exemplo de projeto autossustentável, para smartgrid:

* Célula de efeito SEEBECK colada no transformador que gera calor, obtendo energia suficiente para transmitir telemetria via radio IoT;

+ +

Célula Seebeck

Diferença de temperatura

Rádio IoT Fonte de Calor

ENERGY HARVESTING – energia da vibração

ENERGY HARVESTING

Energia da vibração

Gerador piezoelétrico

ENERGY HARVESTING


Vibração de motor para Telemetria via radio IoT

Vídeo 4 Piso Piezoelétrico

ENERGY HARVESTING


• As baterias, mesmo as de íon-lítio, apresentam um grande problema !

Problema => é o número limitado de ciclos de carga e descarga que não passam de cerca de 600 vezes !

• Como os painéis fotovoltáicos não geram energia a noite, as baterias

serão utilizadas durante todas as noites, e terão que ser recarregadas todos os dias, sem exceção;

• Conclusão => Um sensor, com bateria recarregável, dura no máximo 600 dias ou 600 ciclos de carga/descarga ou UM POUCO MENOS DE 2 ANOS !

Como resolver isto?

ENERGY HARVESTING

PROBLEMA = Bateria

ENERGY HARVESTING

Características dos Supercapacitores

Nanotubos de Carbono

CARACTERÍSTICA SUPERCAPACITOR LITHIUM-ION (geral)

Tempo de carga 1 - 10 segundos 10 - 60 minutos

Ciclos de carga 1.000.000 ~ 600

Tensão por célula 2,3 - 2,75 V 3,6 - 3,7 V

Energia específica (Wh/Kg) 5 50 - 200

Potência específica (W/Kg) 10.000 1.000

Custo por Wh US$ 20 US$ 4

Vida útil > 20 anos 2 – 8 anos

Temperatura – carga -40 a +65º C 0 a +45º C

Temperatura – descarga -40 a +65º C -10 a +60º C

ENERGY HARVESTING

Supercapacitor x Bateria

SUPERCAPACITOR: • Ainda apresenta custo maior que bateria, por watt; • Apresenta baixa energia específica por kg; • Tem tensão máxima muito baixa por célula; • Apresenta auto-descarga maior que baterias; • Descarrega linearmente e isto dificulta o uso;

SUPERCAPACITOR: • Tem ciclo de vida praticamente ilimitado; • Tem elevada potência específica; • Tem baixa resistência; • Fornece elevadas correntes instantâneas; • Se carrega em segundos; • Não esquenta; • É ecologicamente correto;

CO

NC

LUSÕ

ES

ENERGY HARVESTING Supercapacitor

Resumo:

TEMPO

TENSÃO (volts)

Vnominal

PERFIL DE TENSÃO DE UMA BATERIA

PERFIL DE TENSÃO DE UM SUPERCAP

SUPERCAPS

V mínima

PROBLEMA Como utilizar

supercapacitores para alimentar equipamentos ?

• Por ser um capacitor,

apresenta curva de descarga linear descendente;

• Baixíssima tensão de

trabalho tipicamente de 2,3 à 3,0 volts;

• Alternativa: utilizar um

circuito regulador boost!

ENERGY HARVESTING

Supercapacitor x Bateria

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

Roteador de Rede Mesh AUTOSSUTENTÁVEL sem bateria 24 horas/dia 7 dias/semana ...

Exemplo de aplicação:

Resultados: comportamento autossustentável da tensão na carga durante o dia e de noite

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

E em dias seguidos de CHUVA e TEMPO NUBLADO?

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

Resultados: comportamento autossustentável da tensão na carga com chuva e tempo nublado

Dias com chuva Cap descarregado

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

Exemplo: Roteadores de Rede Mesh alimentados com supercapacitores

ENERGY HARVESTING Uso de Supercapacitor

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

Produto de P&D Sensor Inteligente para Monitorar Eventos nas Linhas de Alta Tensão

SENSOR INTELIGENTE: Cálculo da corrente trifásica de desequilíbrio sem conexão física entre as fases.

Instalação do equipamento sem a necessidade de interromper o fornecimento de energia.

ENERGY HARVESTING

Energia Solar

- tecnologia com conectividade e Energy Harvesting autônomo com painel solar e autossustentabilidade por supercapacitor.

Instalação do equipamento sem a necessidade de interromper o

fornecimento de energia.

OBS: vencedor no Prêmio SMART GRIDS EXCELLENCE AWARDS - 2016

CONTATO

www.institutoslactec.org.br

Lourival

Lippmann

Junior

[email protected]

+55 41 3361-6738

+55 41 9969-3043

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