ENERGY HARVESTING PARA DISPOSITIVOS IoT...
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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
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 ?
PROTOCOLOS => rede LoRaWAN vantagem: frequência não licenciada (900 Mhz) Longo alcance baixo consumo alta capacidade baixo custo
6LoWPAN ZigBee
PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ARQUITETURA EM CAMADAS
IETF = organismo internacional que regulamenta a Internet
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;
IEEE802.15.4e => TSCH – Time Slotted Channel Hopping (2012)
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
IEEE802.15.4e => TSCH – Time Slotted Channel Hopping (2012)
PROTOCOLOS
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;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
1.O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);
2 4
3
1
6
5 7
Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
1.O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);
2 4
3
1
6
5 7
Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
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
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Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
2 4
3
1
6
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1. O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);
2. O nó raiz recebe as mensagens dos vizinhos (DAO) =Destination Advertisement Object;
3. Os demais nós agora também enviam mensagens de broadcast (DIO);
Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
2 4
3
1
6
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1. O nó raiz envia periodicamente mensagens de broadcast (DIO);
2. O nó raiz recebe as mensagens dos vizinhos (DAO) =Destination Advertisement Object;
3. Os demais nós agora também enviam mensagens de broadcast (DIO);
4. Os vizinhos também recebem as mensagens dos vizinhos de baixo; OK
Exemplo de como é formada uma instância de roteamento tipo DODAG:
DIO = mensagem que permite a um nó descobrir uma instância de roteamento;
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
2 4
3
1
6
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1. O nó raiz envia periodicamente
2. mensagens de broadcast (DIO);
3. O nó raiz recebe as mensagens dos vizinhos (DAO) =Destination Advertisement Object;
4. Os demais nós agora também enviam 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
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PING 3 ?
E se o Centro de Supervisão quiser fazer um PING em um nó qualquer:
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
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3
1
6
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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:
PROTOCOLOS => ROTEAMENTO RPL
“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
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
Gerador piezoelétrico
ENERGY HARVESTING
Energia da vibração
Vibração de motor para Telemetria via radio IoT
• 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
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
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
+55 41 3361-6738
+55 41 9969-3043