Diseño de un sistema energy harvesting con energía solar para proveer energía a un nodo sensor autónomo

Design of an energy harvesting system with solar energy to provide power to an autonomous sensor node

Este trabajo es producto de la investigación "Generación de una plataforma electrónica modular para la conformación de una WSN" desarrollada en la Universidad EAFIT en el año 2019. Las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN) son utilizadas como tecnología de información y comunicación (TIC) para automatizar procesos. Su implementación es considerada poco eficiente, debido a su alto costo referente al recambio de baterías que los nodos que conforman la WSN, requieren. El objetivo de la investigación es desarrollar sistemas de recolección de energía solar más eficientes que puedan garantizar un rendimiento medio del nodo sensor inalámbrico a un bajo costo. Aquí presentamos el diseño y la implementación de un sistema de captación de energía solar que integra un convertidor Buck, un control de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y un nodo sensor inalámbrico. Además, realizamos medidas de voltaje a la salida del convertidor buck y estimación de la autonomía energética en el nodo sensor inalámbrico. El funcionamiento autónomo con el sistema de captación de energía solar fue rico para el nodo enviando paquetes cada 20 min. Este artículo presentó un sistema de recolección de energía solar con la implementación de un control MPPT.

1. INTRODUCCIÓN

Las redes inalámbricas de sensores (WSN) son un conjunto de dispositivos conectados para recoger datos de forma remota del entorno, según las necesidades del usuario y están formadas por dispositivos denominados nodos, que recogen, procesan y comunican datos de forma inalámbrica a través de un sensor, un microcontrolador y un transceptor de radio, respectivamente. Estas WSN están presentes en nuestra vida cotidiana [1], en la agricultura [2] y en la industria [3]; sin embargo, el uso de dispositivos de almacenamiento no recargables como fuente de energía, es decir, baterías, ha limitado su implementación.  Aquí intentamos resolver este problema diseñando un sistema de recolección de energía solar (SEHS) para alimentar de energía a los nodos sensores inalámbricos. Este proceso de captación de energía del entorno se realiza mediante un panel solar, que proporciona la energía almacenada en baterías recargables o supercondensadores para ser utilizada posteriormente por el nodo [4]. Además, las ventajas del diseño propuesto se limitan a una implementación de menor coste, fomentando el uso de energías renovables, y evitando la contaminación de las baterías no recargables que implementan los nodos sensores comerciales [5], [6].

La conexión del nodo sensor a un sistema de recolección de energía constituye un nodo sensor inalámbrico autónomo. Esta tecnología se utiliza actualmente para la comunicación inalámbrica de datos, principalmente porque cosechan infinidad de fuentes de energía; sin embargo, este tipo de energía tiene un comportamiento no continuo.