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Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz


Götz, Martin
Kanoun, Olfa (Prof. Dr.-Ing.) ; Scholl, Gerd (Prof. Dr.-Ing.)

Subthreshold Leakage Voltage Supervisor für den wartungsfreien Betrieb umgebungsenergieversorgter Sensorknoten

Subthreshold Leakage Voltage Supervisor for Maintenance-free Operation of Energy Harvesting Powered Sensor Nodes


Kurzfassung in deutsch

Die Nutzung von Umgebungsenergie ermöglicht bei einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen drahtloser Sensorknoten eine autarke Energieversorgung. Wartungseingriffe sowie unvorhergesehene Energieengpässe begrenzen den autarken Einsatz derartiger Sensorknoten oder erfordern eine deutliche Überdimensionierung der Energy Harvester und Energiespeicher. Anwendungen, wie der Einsatz in unzugänglichen Bereichen, Sensornetzwerken mit einer großen Anzahl von Knoten oder sehr kleinen Knoten / Smart Dust, können unwirtschaftlich werden, wenn kein wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann.
Erreicht ein drahtloser Sensorknoten einen energetisch niedrigen Zustand, ist es für einen erneuten Start erforderlich, dass zusätzlich zu einer ausreichenden Spannung genügend Energie für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei zu zeitiger Aktivierung wird der Startvorgang aufgrund der einbrechenden Spannung nicht abgeschlossen und verhindert die Aufnahme des Betriebs. Ein Voltage Supervisor wird benötigt, um den Startvorgang so lange zu verzögern, bis ausreichend Energie für diesen zur Verfügung steht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Voltage Supervisor für das Energiemanagement umgebungsenergieversorgter Sensorknoten vorgeschlagen. Die Herausforderungen liegen in der Realisierung einer definierten Abschalt- und Startcharakteristik, auch bei langsamen oder variablen Spannungsanstiegen, in der Implementierung einer Kaltstartfähigkeit und im zuverlässigen Schaltverhalten unter widrigen Umgebungsbedingungen oder niedrigem Energieeintrag. Für eine hohe Effizienz wird bei jeder Spannung ein geringer Eigenleistungsverbrauch gefordert.
Im Ergebnis wird ein Konzept vorgestellt, welches einen zuverlässigen wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Funktionen, wie die Abschaltung des Mikrocontrollers nach Erledigung der Aufgabe, ermöglichen darüber hinaus, weniger Energie als im Schlafmodus zu verbrauchen. Mit dieser Methode kann ein intermittierender Betrieb in Abhängigkeit der verfügbaren Energie realisiert werden.
Simulation, experimentelle Untersuchung und die Einbettung in einen umgebungsversorgten drahtlosen Sensorknoten validieren die Funktionsfähigkeit unter allen gestellten Anforderungen. Der mittlere Eigenleistungsverbrauch der vorgeschlagenen Schaltung liegt bei 5,58 µW. Bei niedrigen Spannungen von 0 V ? 1,4 V werden lediglich 568 nW benötigt.

Kurzfassung in englisch

The use of ambient energy enables an autonomous energy supply for an increasing number of wireless sensor node applications. Maintenance interventions or unforeseen energy input drops limit the autonomous use of such sensor nodes or require significantly oversized energy harvesters and energy storages. Applications such as the use in inaccessible areas, sensor networks with a large number of nodes or very small nodes / Smart Dust can become uneconomical, if no maintenance-free operation can be guaranteed.
If a wireless sensor node reaches an energetically low state, it is necessary for a restart, that sufficient voltage and in addition sufficient energy is available for the starting process. In the case of too early activation, the starting process will not be completed due to the voltage drop and will prevent the start of operation. A Voltage Supervisor is required to delay the start until sufficient energy is available.
Within the scope of this thesis, a voltage supervisor for the energy management of environmental-powered wireless sensor nodes is proposed. The challenges are in the realization of a defined switch-off and start characteristic even with slow or variable voltage slopes, a cold start capability and in reliable behaviour under adverse environmental conditions or low energy input. For high efficiency, a low power consumption is required at every voltage.
As result, a concept is presented which enables reliable maintenance-free operation. In addition, the microcontroller can switch itself off completely after completion of the task and thus consume even less energy than in sleep mode. With this method, intermittent operation depending on the available energy, can be realized as well.
Simulation, experimental investigation and inclusion in an energy harvesting supplied wireless sensor node validate the functionality under all given conditions. The average power consumption of the proposed circuit is 5.58 µW. At low voltages in the range 0 V - 1.4 V only 568 nW are required.

Universität: Technische Universität Chemnitz
Institut: Professur Mess- und Sensortechnik
Fakultät: Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Dokumentart: Dissertation
Betreuer: Kanoun, Olfa (Prof. Dr.-Ing.)
ISBN/ISSN: 978-3-96100-115-6
URL/URN: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-384055
Quelle: Chemnitz : Universitätsverlag Chemnitz, 2020. - XVIII, 197 S. - Scientific Reports on Measurement and Sensor Technology ; 15
SWD-Schlagwörter: Energiemanagement , Sensorsystem
Freie Schlagwörter (Deutsch): wartungsfreier Betrieb , umgebungsenergieversorgte Systeme , Drahtlose Sensorsysteme , Drahtlose Sensorknoten
Freie Schlagwörter (Englisch): Voltage Supervisor , Energy Management , Maintenance-free Operation , Energy Harvesting , Wireless Sensor Systems
DDC-Sachgruppe: Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften, Ingenieurwissenschaften
Sprache: deutsch
Tag der mündlichen Prüfung 30.01.2020

 

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