Energy Harvesting Solution for the UWASA Node: Applications for Wind Turbine Monitoring

The aim of this thesis was to develop an energy harvesting solution for the UWASA Node for wind power station applications. Energy harvesting is the process by which small amounts of ambient energy is collected for use by electronics such as wireless sensor nodes. The developed energy harvesting solution is capable of supplying enough energy for the UWASA Node to perform a wide variety of tasks indefinitely, without the need for changing its battery. The wireless sensor node can for example read sensors at high sampling rates and store or wirelessly transmit these readings. It can also perform complex computations and react to changes in its environment. One intended use was monitoring vibrations of wind turbines blades, but field tests have yet to be done. This master’s thesis builds on the findings of my bachelor’s thesis, Höglund (2014) in the references. In the bachelor’s thesis different methods of energy harvesting were in-vestigated to find the most suitable methods for this project. In this master’s thesis a prototype energy harvester and energy management circuit was developed and tested. The prototype is capable of harvesting tens of milliwatts from a small solar cell. It could also be modified to harvest another ambient energy source or several sources at once. Every part of the energy harvester and energy management circuit is discussed in detail and laboratory tests are presented. Different means of maximum power point tracking were tested and evaluated. The prototype energy harvester was built using a modular approach so that energy harvesting from multiple sources of energy easily can be ac-complished by adding a few components for each source to the harvesting circuit. The programming of the sensor node also needs to be adapted so that it runs optimally from the harvested energy by scheduling measurements and wireless communication. A low-power real-time clock and a latching switch were included on the prototype PCB for switching on and off the power to the sensor node completely in order to consume as little energy as possible when the sensor node is inactive.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Langattomien anturiverkkojen sotilas-, agroteknologia- ja energiatutkimussovelluksia

The physical quantities nowadays are widely measured by using electronic sensors. Wireless sensor networks (WSNs) are low-cost, low-power electronic devices capable of collecting data using their onboard sensors. Some wireless sensor nodes are equipped with actuators, providing the possibility to change the state of the physical world. The ability to change the state of a physical system means that WSNs can be used in control and automation applications. This research focuses on appropriate system design for four different wireless measurement and control cases. The first case provides a hardware and software solution for camera integration to a wireless sensor node. The images are captured and processed inside the sensor node using low power computational techniques. In the second application, two different wireless sensor networks function in cooperation to overcome seeding problems in agricultural machinery. The third case focuses on indoor deployment of the wireless sensor nodes into an area of urban crisis, where the nodes supply localization information to friendly assets such as soldiers, firefighters and medical personnel. The last application focuses on a feasibility study for energy harvesting from asphalt surfaces in the form of heat.Fysikaaliset suureet mitataan nykyisin elektronisten anturien avulla. Langattomat anturiverkot ovat kustannustasoltaan edullisia, matalan tehonkulutuksen elektronisia laitteita, jotka kykenevät suorittamaan mittauksia niissä olevilla antureilla. Langattomat anturinoodit voidaan myös liittää toimilaitteisiin, jolloin ne voivat vaikuttaa fyysiseen ympäristöönsä. Koska langattomilla anturi- ja toimilaiteverkoilla voidaan vaikuttaa niiden fysikaalisen ympäristön tilaan, niiden avulla voidaan toteuttaa säätö- ja automaatiosovelluksia. Tässä väitöskirjaty össä suunnitellaan ja toteutetaan neljä erilaista langattomien anturi- ja toimilaiteverkkojen automaatiosovellusta. Ensimmäisenä tapauksena toteutetaan elektroniikka- ja ohjelmistosovellus, jolla integroidaan kamera langattomaan anturinoodiin. Kuvat tallennetaan ja prosessoidaan anturinoodissa vähän energiaa kuluttavia laskentamenetelmiä käyttäen. Toisessa sovelluksessa kahdesta erilaisesta langattomasta anturiverkosta koostuvalla järjestelmällä valvotaan siementen syöttöä kylvökoneessa. Kolmannessa sovelluksessa levitetään kaupunkiympäristössä kriisitilanteessa rakennuksen sisätiloihin langaton anturiverkko. Sen anturinoodit välittävät paikkatietoa rakennuksessa operoiville omille joukoille, jotka voivat tilanteesta riippuen olla esimerkiksi sotilaita, palomiehiä tai lääkintähenkilökuntaa. Neljännessä sovelluksessa toteutetaan langaton anturiverkko, jonka keräämää mittausdataa käytetään arvioitaessa lämpöenergian keräämismahdollisuuksia asfalttipinnoilta.fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed

Avoin alustakehitys IEEE 802.15.4 -standardin mukaisessa langattomassa automaatiossa

This doctoral dissertation focuses on open source platform development in wireless automation under IEEE 802.15.4 standard. Research method is empirical. A platform based approach, which targets to the design of a generic open source sensor platform, was selected as a design method. The design targets were further focused by interviewing the experts from the academia and industry. Generic and modular sensor platform, the UWASA Node, was developed as an outcome of this process. Based on the implementation results, a wireless sensor and actuator network based on the UWASA Node was a feasible solution for many types of wireless automation applications. It was also possible to interface it with the other parts of the system. The targeted level of sensor platform genericity was achieved. However, it was also observed that the achieved level of genericity increased the software complexity. The development of commercial sensor platforms, which support IEEE 802.15.4 sensor networking, has narrowed down the role of open source sensor platforms, but they are not disappearing. Commercial software is usually closed and connected to a specified platform, which makes it unsuitable for research and development work. Even though there exits many commercial WSN solutions and the market expectations in this area are high, there is still a lot of work to do before the visions about Internet of Things (IoT) are fulfilled, especially in the context of distributed and locally centralized operations in the network. In terms of control engineering, one of the main research issues is to figure out how the well-known control techniques may be applied in wireless automation where WSN is part of the automation system. Open source platforms offer an important tool in this research and development work.Tämä väitöskirja käsittelee avointa alustakehitystä IEEE 802.15.4 -standardin mukaisessa langattomassa automaatiossa. Tutkimusmenetelmä on empiirinen. Työssä sovelletaan alustaperustaista suunnittelutapaa, joka tähtää yleiskäyttöisen avoimen anturialustan kehittämiseen. Suunnittelun tavoitteita tarkennettiin haastattelemalla alan asiantuntijoita teollisuudesta ja yliopistomaailmasta. Tuloksena suunniteltiin ja toteutettiin anturialusta, the UWASA Node. Implementointituloksista voidaan vetää johtopäätös, että anturialustan tavoiteltu yleiskäyttöisyystaso saavutettiin. Toisaalta saavutettu yleiskäyttöisyystaso lisäsi alustan ohjelmistoarkkitehtuurin monimutkaisuutta. Kaupallisten IEEE 802.15.4 -standardia tukevien anturialustojen tulo markkinoille vähentää avointen anturialustojen käyttöä, mutta ne eivät ole katoamassa. Kaupalliset ohjelmistot ovat tyypillisesti suljettuja ja sidoksissa tiettyyn alustaan, mikä tekee niistä sopimattomia tutkimus- ja tuotekehityskäyttöön. Vaikka nykyään on saatavilla useita kaupallisia langattomia anturi- ja toimilaiteverkkoja, vaaditaan vielä paljon työtä ennen kun kaikki esineiden Internetiin (Internet of Things) liittyvät visiot voidaan toteuttaa. Tämä koskee erityisesti langattomassa anturi- ja toimilaiteverkossa hajautetusti tai paikallisesti toteutettavia toimintoja. Säätötekniikan näkökulmasta keskeinen kysymys on, miten tunnettuja säätömenetelmiä tulee soveltaa langattomassa automaatiossa, jossa langaton anturi- ja toimilaiteverkko on osa automaatiojärjestelmää. Avoimet anturialustat ovat tärkeä työkalu sen selvittämisessä.fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed