Implementierung des energie-neutralen Betriebs bei der Energieernte in drahtlosen Sensornetzwerken (WSN)

In diesem Papier wird ein Verfahren zur Realisierung eines energie-neutralen Betriebs auf energieerntefähigen drahtlosen Sensorknoten (WSN) vorgestellt, welches die Unvorhersehbarkeit und den zeitlichen Wandel der verfügbaren Umgebungsenergie berücksichtigt. Das Verfahren nutzt adaptive Duty-Cycling, das einen energie-neutralen Betrieb in Abhängigkeit von der im Umfeld verfügbaren Energie und dem aktuellen Energiezustand des Knotens über einen Energiemanagementkreis bereitstellt. Die vorgeschlagene Methode wird unter Verwendung eines MicaZ-Moduls als WSN und zwei verschiedenen vibrationsbasierten Energieerntern: piezoelektrischen und elektromagnetischen, implementiert. Der Knoten mit einem piezoelektrischen Energiesammler arbeitet nur 130,5 s mit einem festen Duty-Cycle von 0,21 % und benötigt eine inaktive Zeit von 93,5 s zum Laden. Im Gegensatz dazu erreicht der Knoten mit der vorgeschlagenen Strategie einen energie-neutralen Betrieb, indem er sich selbst an einen Duty-Cycle von 0,17 % anpasst. Der energie-neutrale Betrieb wird auch durch die Integration eines elektromagnetischen Energiewandlers demonstriert, der am Handgelenk eines Läufers angebracht ist: Wenn keine Energie zum Ernten verfügbar ist, zeigt die vorgeschlagene Strategie eine Steigerung der Lebensdauer um etwa 64 %, bevor der Schlafmodus aktiviert wird. Diese Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Energiemanagementpolitik einen effizienten energie-neutralen Betrieb erreicht.