Energy Harvesting for Industry 4.0 Applications

Abstract

Cieľom tejto práce je demoštrácia možností využitia energy harvestingu v priemysle 4.0, so zameraním na prototyp samonapájacieho vibračného senzoru. Vrámci práce bol vykonaný výskum techník pre zhromažďovanie a spracovanie dát ako aj výskum ohľadom senzorového vybavenie budúceho prototypu. V ďalšom kroku bol vykonaný výskum a získaný prehľad ohľadom energy harvesterov, metód presunu a manipulácie vyťaženej elektrickej energie, a spôsobu jej uchovania. Ďalej bol vybraný vhodný mikroprocesor s vhodnou výbavou ohľadom vstupu a výstupu napájania, energie a konektivity. Nakoniec implementácie boli vyriešené rozhrania medzi jednotlivými komponentami prototypu. Po vyhodnotení ďalšieho postupu bolo rozhodnuté vyvinúť software pre plánované rozhrania medzi senzorom a procesorom, ako aj spracovávanie dát za použitia vzorkovania a rekonštrukcie analógového signálu za použitia analógovo-digitálneho meniča. Ďalej bola vyvinutá jednoduchá časť software pre detekciu anomálií v očakávaných frekvenčných pásmach daného objektu, a otestovaný jednoduchý kód pre využite subsystému BLE. Nakoniec tejto časti projektu boli preskúmané možnosti vylepšenia účinnosti využitia energie použitej pre napájanie mikroprocesora. V poslednom kroku práce boli otestované všetky komponenty navrhnutého prototypu. V prvej časti bola otestovaná funkcionalita komponentov bez integrácie s ostatnými časťami systému. Bola testovaná presnosť vibračného senzoru, funkcionalita harvesteru, a otestované jednotlivé subsystémy mikroprocesoru. V druhej časti testovania boli testované interakcie jednotlivých komponentov, napríklad rozhranie medzi mikroprocesorom a vibračným senzorom, a testovanie korektnosti softvérových metód pre vypočítanie frekvencie monitorovaného objektu. V poslednom kroku testovania boli otestované množstvá enegie vyťažené piezoelektrickým efektom a porovnané s experimentálne overeným odberom energie kompletného obvodu. Následne boli tieto informácie využité k aproximácií ceny prototypu a jeho realizovateľnosti v praktickom priemyselnom prostredí. Výsledkom práce je funčný prototyp obvodu samonapájacieho vibračného senzoru a teoretický návrh efektívnejšej verzie založenej na experimentálnych metódach prenosu energie medzi harvesterom a úložistom energie, ako aj aproximácia jednotkovej ceny obvodu a vyhodnotenia jeho použiteľnosti v modernom priemysle.

The aim of this thesis is to estimate industrial applications of energy harvesting in industry 4.0. As a part of this project, a working prototype was constructed using a piezoelectric harvester and appropriate sensory equipment. A vibration sensor was chosen as the most appropriate solution for measuring vibrations emanated by the object being observed. Subsequently, a software solution was developed for calculating the frequency of the vibrations using analog sensor input handled by an analog-digital converter. The result is a tested prototype of a self-powered sensor capable of sending warning messages when detecting anomalous vibration frequencies emanating from the monitored object.