无线IoT节点的远程供电研究

无线IoT节点的远程供电约翰·尼科引用此版本：约翰·尼科。无线IoT节点的远程供电。Electronics.波尔多大学，2021年。英语NNT：2021BORD0061。电话：03212992HAL Id：tel-03212992https://theses.hal.science/tel-032129922021年4月30日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireTHERISSE PRESENTÉEPOUR OBTENIR LE GRADE DE博士DEL’UNIVERSITÉ DE物理与工程科学（SPI）的八分之一：电子约翰·尼科特无线IO T NODES的故障排除Sous la direction de：Prof. Thierry TARIS（co-encadrante：Dr. Ludivine TARIS-FADEL）2021年3月4日陪审团成员：M.克里斯托夫·杰戈波尔多，波尔多INP审查员（主席）M.文森特·弗里克Strasbourg大学助理教授特别报告员M.沙赫里亚尔·米拉巴西加拿大不列颠哥伦比亚特别报告员M.梅内肯，1月Ingénieur，Uwinloc，图卢兹考官Ludivine，Taris-Fadel女士波尔多大学助理教授审查员（共同顾问）M.蒂埃里·塔利斯波尔多，波尔多INP审查员（主任）本页故意留空。3Alimentation de NÜuds sans fils物联网简历Le monde connaecut un intérêt croissant pour l'IoT （ Internet des Objets ） et del'ecosystème qui y est rattaché.为了最大限度地减少对电池的影响和对维护设备的影响，必须排除使用电池堆和电池，以进行维护和维护。这篇论文是为了让学生们学习建筑学中的知识和知识的可靠性，并得出一些结论，这些结论是关于在现实世界中进行建筑 设 计 所 必 需 的 技 术 和 实 施 方 法 的 。 Elle étudiera aussi leurs limitations ou desoptimisations pour des situations particulières （ différents débits de données ， type dedonnées à capter，fréquence d'émission.）.默茨克莱斯物联网;能量无线IoT节点摘要世界对物联网（IoT）及其相关生态系统越来越感兴趣。为了最小化与这些节点相关的环境影响和维护成本，有必要最小化电池的使用以降低环境和维护成本。本文旨在研究这种节点的架构可行性及其鲁棒性，以得出结论的技术和实现方法，将是必要的现实世界的应用。它还将研究它们的限制或某些情况下可能的优化（数据速率，要捕获的数据类型，传输频率等）。关键词物联网;能量收集;整流器;无线传感器网络。4本页故意留空。5系统材料集成实验室UMR 5218Bâtiment A31，351 Cours de la Libération，F-33405 TALENCE CEDEX6本页故意留空。7确认如果没有大量的支持和对话，这篇论文的写作以及为此所做的工作是不可能的。首先，我想感谢我的论文指导，蒂埃里·塔利斯教授。没有您的耐心、指导和帮助，我的论文是不可能完成的。我还要感谢IMS实验室和ENSEIRB-MATMECA工程学院的同事，他们一直是我的支柱，为我的工作提供了宝贵的见解。最后，我要感谢我的父母，我的兄弟，我的大家庭（法国和美国），以及无数其他人，他们给了我巨大的情感支持，无尽的鼓励，并设法让我在我的论文中走上正轨。献给我的祖父，已故的罗杰·尼科特（19268本页故意留空。9目录Alimentation de NÜuds sansfils IoT 3简历3Motsclés 3无线物联网节点的远程供电3摘要3关键词3词汇表17第I. a节.......................................................................................................................................... 25第一.a.1分节第I.a.5小节第一.a.2分节-第一.a.3分节-第I.a.4小节-第I.b节第I.b.1小节第I.b.2小节第一. c节第I.c.1分节第I.c.2小节第I.c.3小节第一.d节第二. a节第二节b第二.b.1分节第二.b.2第II.b.3小节第二.b.4分节第二.b.5分节---第二.b.6分节第二. c节第二.c.1分节第二节c.2第二.c.3分节第二.d节第II.d.1分节第II.d.3小节第二.d.4分节第二节电子第二.e.1分节第II.e.2小节第二.e.3分节第二.e.4分节第二节f10第II.f.1小节第二.f.2 - 107分节第II.f.3小节第二.f.4分节第二.g节第二.g.1分节第二.g.2分节第二. h节第二.g.1分节第II.h.2小节第二.h.3分节---第二.i节第II.i.1小节第二.i.2分节第二节j第三. a节第三.b节第III.b.1小节第III.b.2小节第三节c第III.c.1小节第III.c.2小节第III.c.3小节第III.c.4小节第III.c.5小节第三.c.6分节第三.d节第III.d.1小节第III.d.2小节III.d.2.i分节第III.d.2.iii分节第III.d.2.iv分节第III.d.2.v分节第III.d.3小节第三节e第三节f ---第III.f.1小节子小节III.f.1.i子小节III.f.1.ii子小节III.f.1.iii第III.f.2小节子小节III.f.2.i子小节III.f.2.ii11子小节III.f.2.iii第III.f.3小节第三. h节第四. a节第四节b第四. c节第四.d节国际会议163国际期刊16312图表目录图1图2 -图3............................................................................................................................................29图4 -图5 -电磁波的传播[21]图6图7 -尼古拉·特斯拉的WPT实验，（a）显示了1891年在哥伦比亚大学通过电感耦合供电[29]，（b）显示了他在150kHz的远距离远程供电的尝试[30]34图8 -无线动力直升机。(a)显示了直升机在操作中，通过可见的导轨保持稳定。(b)是源，磁控管发射在2450兆赫与5千瓦的功率。(c)是直升机上的实际整流天线，由4480个1N82G点接触二极管制成[32].......................................................35图9 -美国宇航局喷气推进实验室在戈德斯通。(a)左边是接收器，右边是发射器。(b)是接收器阵列的近距离视图[33]。.......................................................................... 35图10..........................................................................................................................................36图11 -RFID标签的消费者应用示例。(a)是生物特征护照，其包含RFID系统，该RFID系统可以在护照上提供数据的电子副本[38]，（b）是常见的RFID标签，例如在零售商店中的消费者电器包装上发现的那些以防止盗窃[39]，以及（c）示出了可以用于组织内的资产跟踪的RFID标签[40]。......................................... 38图12..........................................................................................................................................39图13..........................................................................................................................................40图14 -变送器概图................................................................................................................... 41图15图16..........................................................................................................................................47图17图18 -天线的性能。天线的模拟辐射图如（a）所示，（b）显示了测量和模拟的S参数[49]。...................................................................................................................... 48图19 -....................................................................................................................................... 50图20 -....................................................................................................................................... 50图21..........................................................................................................................................51图22 -....................................................................................................................................... 51图23 -....................................................................................................................................... 52图24..........................................................................................................................................52图25..........................................................................................................................................53图26-（a）LF整流的经典拓扑，（b）RF整流的改进整流拓扑。.....................................54图27..........................................................................................................................................54图28 -肖特基二极管的RF模型，包括封装寄生效应。...................................................... 56图29 -....................................................................................................................................... 57图30 -....................................................................................................................................... 58图31图32图33..........................................................................................................................................6013图34 -1级整流器因电容随输入功率电平变化而发生频移...................................................60图35..........................................................................................................................................61图36 -....................................................................................................................................... 62图37 -....................................................................................................................................... 62图38-........................................................................................................................................ 63图39-........................................................................................................................................ 63图40 -双整流器板的物理实现电路板的顶部装有一个4级整流器，用于数据接收，并针对高灵敏度进行了优化。板的底部是一个1级整流器，优化了效率。...........64图41图42..........................................................................................................................................65图43 -太阳能电池板效率随时间推移的改善，以及按电池板类型[53] 66图44-测量的太阳能电池板，从右到左，小电池板，大电池板和1欧元硬币的比例。...68图45-太阳能电池板的开路电压，取决于光源及其亮度。................................................ 68图46................................................................................................................................. 69图47-使用不同LED类型和照明水平的太阳能电池板的功率输出。提供了参考照明水平。.........................................................................................................................69图48图49................................................................................................................................. 71图50 -....................................................................................................................................... 72图51..........................................................................................................................................74图52..........................................................................................................................................74图53图54..........................................................................................................................................76图55..........................................................................................................................................77图58-升压转换器两种工作模式下占空比对归一化输出电压和电流的影响....................78图59..........................................................................................................................................79图60-降压转换器两种工作模式下占空比对归一化输出电压和电流的影响.....................79图61图62-采集器的实现，（a）用于太阳能采集器的bq 25570，以及（b）用于射频功率采集器的bq 25504用户。[67]，[68]。.....................................................................82图63-........................................................................................................................................ 82图64..........................................................................................................................................83图65 -BAT 17 -04肖特基二极管相对于两个功率采集电路的位置....................................83图66..........................................................................................................................................84图67 -电源管理模块的物理实现。(a)图1示出了用于收集RF能量的bq25504 IC，并且（b）示出了用于收集太阳能的bs25570 IC。.................................................... 85图68图69..........................................................................................................................................8714图70..........................................................................................................................................88图71图72 -................................................................................................................................. 90图73..........................................................................................................................................91图74-比较器解调的消息，显示发送接收的数据和唤醒信号.............................................91图75 -比较器模块92图76图77..........................................................................................................................................94图78..........................................................................................................................................95图79图80-温度请求（25°C）后PIC在测试引脚上输出温度的示例...........................................97图81-图82图83..........................................................................................................................................98图84 -各种传感器。(a)Si 7050温度传感器（b）BME 280压力/温度传感器。..............100图85图86........................................................................................................................................102图87........................................................................................................................................103图88........................................................................................................................................104图89图90图91........................................................................................................................................112图92图93图94-降压转换器的实测效率（根据制造商规格测量）.................................................. 115图95图96........................................................................................................................................120图97........................................................................................................................................121图98-影响电源管理模块功耗的变量.................................................................................. 121图99........................................................................................................................................122图100............................................................................................................................... 123图101图102......................................................................................................................................125图103 -................................................................................................................................... 126图104图105 -测试台前端实例，其中数据由SDR传输，并由RF信号发生器确保供电。........128图106 -................................................................................................................................... 129图107 -测试台后端的实例，显示了节点和连接到它的各种调试附件，以及RF接收天线和耦合器。整个系统放置在一个可移动的托盘上，以确保移动性。...........12915图108图109 -节点最大工作速度与输入功率的函数关系，3720基于μF陶瓷电容的存储元件，用于数据测量操作。132图110 -节点最大工作速度与输入功率的函数关系，采用3720μF陶瓷电容存储元件，用于数据测量和传输操作.......................................................................................133图111 -节点的最大工作速度，采用基于3720 μF陶瓷电容的存储元件，用于数据测量和传输操作（使用附加传感器）........................................................................... 134图112 -RX模式下节点的自主性（取决于测量间隔）图113-RX/TX模式下节点的自主性，取决于测量interval. .................................................................................................................137图114......................................................................................................................................138图115 -本工作中使用的两种LED类型的热启动充电时间与发光强度的函数关系........14016表目录表1............................................................................................................................................27表2表3-.......................................................................................................................................... 67表4-表5............................................................................................................................................73表6............................................................................................................................................91表7表8............................................................................................................................................99表9..........................................................................................................................................100表10........................................................................................................................................117表11........................................................................................................................................118表12 -整个节点的功耗，取决于其操作状态。表13-所用陶瓷电容器和超级电容器的系数参数表在这部作品中。.....................................................................................................122表14................................................................................................................................. 135表15........................................................................................................................................14617本页故意留空。18术语表2G第二代GSM3G第三代GSM4G第四代GSM交流交流电ADC模数转换器高级加密标准ANFRARCEP电子通信和邮政管理局ASIC专用集成电路幅移键控CMOS感光器件现成的COTSCRC循环冗余校验CS冷启动载波侦听多路访问CW连续波DC直流DUT受试器械DTV数字电视EM电磁等效串联电阻FCC联邦通信委员会铁电RAMFS全启动移频键控高斯频移键控GSM全球移动通信GUI图形用户界面I2C内部集成电路IC集成电路IoT物联网ISM工业、科学和医疗LE