A Multi-Source Harvesting System Applied to Sensor-Based Smart Garments for Monitoring Workers’ Bio-Physical Parameters in Harsh Environments

This paper describes the development and characterization of a smart garment for monitoring the environmental and biophysical parameters of the user wearing it; the wearable application is focused on the control to workers’ conditions in dangerous workplaces in order to prevent or reduce the consequences of accidents. The smart jacket includes flexible solar panels, thermoelectric generators and flexible piezoelectric harvesters to scavenge energy from the human body, thus ensuring the energy autonomy of the employed sensors and electronic boards. The hardware and firmware optimization allowed the correct interfacing of the heart rate and SpO2 sensor, accelerometers, temperature and electrochemical gas sensors with a modified Arduino Pro mini board. The latter stores and processes the sensor data and, in the event of abnormal parameters, sends an alarm to a cloud database, allowing company managers to check them via a web app. The characterization of the harvesting subsection has shown that ≈ 265 mW maximum power can be obtained in a real scenario, whereas the power consumption due to the acquisition, processing and BLE data transmission functions determined that a 10 mAh/day charge is required to ensure the device’s proper operation. By charging a 380 mAh Lipo battery in a few hours by means of the harvesting system, an energy autonomy of 23 days was obtained, in the absence of any further energy contribution

Double smart energy harvesting system for self-powered industrial IoT

312 p. 335 p. (confidencial)Future factories would be based on the Industry 4.0 paradigm. IndustrialInternet of Things (IIoT) represent a part of the solution in this field. Asautonomous systems, powering challenges could be solved using energy harvestingtechnology. The present thesis work combines two alternatives of energy input andmanagement on a single architecture. A mini-reactor and an indoor photovoltaiccell as energy harvesters and a double power manager with AC/DC and DC/DCconverters controlled by a low power single controller. Furthermore, theaforementioned energy management is improved with artificial intelligencetechniques, which allows a smart and optimal energy management. Besides, theharvested energy is going to be stored in a low power supercapacitor. The workconcludes with the integration of these solutions making IIoT self-powered devices.IK4 Teknike

Análise e Implementação de Conversores DC-DC para uma Célula Fotovoltaica Orgânica

Acompanhando o desenvolvimento da sociedade moderna e da Internet of Things (IoT), observa-se que uma pessoa possui, em média, quatro dispositivos eletrónicos como smartphones, tablets ou gadgets [1]. Também novas tecnologias associadas às fontes de energia renováveis têm vindo a ser estudas. Como tal, verifica-se a necessidade de recolher e armazenar essa energia. Para tal, é apresentada nesta dissertação a análise e implementação de uma unidade de gestão de potência aplicada a um sistema de recolha de energia baseado em células fotovoltaicas orgânicas. Relativamente à implementação da PMU, esta foi realizada na tecnologia de circuito integrado CMOS de 0,13 μm e optimizada de quatro formas distintas. Das quatro soluções propostas, duas foram completamente integradas, enquanto que as restantes careceram da introdução componentes discretos. No processo de optimização da unidade de gestão de potência foram considerados dois graus de liberdade, a frequência de comutação do conversor DC-DC e a tensão de saída disponibilizada pela PMU. Relativamente à frequência de operação da arquitetura, foram consideradas as frequências de 100 kHz, 100 MHz e 500 MHz para uma gama de tensões de entrada que varia de 100 mV a 900 mV. Quanto à tensão de saída da unidade, esta é do tipo standard (1,2 V ou 2,4 V). Adicionalmente, como base comparativa, efectuou-se uma análise experimental à PMU baseada em condensadores comutados apresentada em [32], aplicada às células fotovoltaicas orgânicas. Esta dissertação faz ainda parte do projecto de investigação científica μFlexBat. Este projecto tem por objectivo estudar e implementar uma unidade de gestão de potência para IoT capaz de converter e armazenar a energia proveniente de uma célula fotovoltaica orgânica. Este concerne-se ao estudo de uma PMU flexível do ponto de vista mecânico, com baixos custos de implementação, autossuficiente e capaz de gerar uma tensão standard à sua saída cuja funcionalidade será alimentar um dispositivo eletrónico de muito baixa potência, como um sensor de monitoração de parâmetros biomédicos. Do ponto de vista dos resultados obtidos, nas optimizações a 100 kHz, a PMU revelou-se autossuficiente e com um rendimento de 65,66% na arquitetura a 1,2 V, e de 84,22% na PMU a 2,4 V. Relativamente às soluções de 100 MHz e 500 MHz, o rendimento apresentado por estas é de 20,21%, para a proposta de 100 MHz, e de 26,73% para o sistema a operar a 500 MHz. Quanto à PMU baseada em condensadores comutados proposta em [32], obteve-se, considerando as células fotovoltaicas orgânicas como fontes de energia, um rendimento máximo de 75,76%