1. Utangulizi

Makala hii inawasilisha usanifu mpya wa uvunaji wa nishati ulioundwa ili kuwasha vifaa vya Internet of Things (IoT) kwa kukusanya nishati ya uga wa umeme wa mazingira (E-field) inayotolewa kutoka kwa vifaa vya kawaida vya taa za fluorescent. Changamoto kuu inayoshughulikiwa ni kikwazo cha nguvu katika mitandao ya IoT iliyojitawala, ambapo kubadilisha betri au matengenezo hayafai. Suluhisho lililopendekezwa linatumia uwepo wa kila mahali wa taa za fluorescent zinazoendeshwa na AC katika mazingira ya biashara na ofisi, na kubadilisha chanzo cha kawaida cha "uchafuzi" wa sumakuumeme kuwa chanzo cha nguvu kinachoweza kutumika kwa vichunguzi vya nguvu ndogo na moduli za mawasiliano.

Utafiti huu umesukumwa na mipaka ya mbinu zilizopo za uvunaji wa nishati (jua, joto, mtetemo) ambazo zinaweza kuwa za muda mfupi au kutegemea mazingira. Uvunaji wa uga wa umeme, hasa kutoka kwa miundombinu ya taa zinazoendelea kuwaka, unatoa njia yenye matumaini kuelekea mitandao ya IoT isiyo na betri kabisa, isiyohitaji matengenezo, kwa matumizi kama vile ufuatiliaji wa mazingira, usimamizi wa majengo mahiri, na utabiri wa matengenezo.

2. Uvunaji wa Nishati ya Uga wa Umeme (EFEH)

EFEH hufanya kazi kwa kanuni ya kuunganisha kwa njia ya capacitance. Nyenzo yoyote ya uendeshaji inayowashwa na voltage ya mkondo mbadala (AC) hutoa uga wa umeme wa radial unaobadilika kwa wakati. Uga huu unaobadilika husababisha mkondo wa uhamisho ($I_D$) kwenye sahani ya uendeshaji ya mvunaji iliyo karibu. Nishati inayovunwa hutokana na mkondo huu wa uhamisho, sio kutoka kwa mtiririko wa mkondo wa uendeshaji, na kufanya kuwa njia ya uvunaji isiyoingilia.

2.1. Kanuni ya Uendeshaji

Mfano wa msingi unahusisha kigawanyaji cha voltage cha capacitance. Uga wa E wa mazingira kati ya chanzo cha AC (kifaa cha taa ya fluorescent) na ardhi unakamatwa na sahani ya shaba ya uendeshaji. Sahani hii inagawanya uga kwa ufanisi, na kuunda tofauti ya uwezekano. Mfumo unaweza kuonyeshwa kwa njia ya capacitance za ziada: $C_f$ (kati ya kifaa na sahani ya mvunaji) na $C_h$ (kati ya sahani ya mvunaji na ardhi). Voltage iliyovunwa ($V_{harv}$) ni sehemu ya voltage ya chanzo ($V_{AC}$), imedhamiriwa na kigawanyaji hiki cha capacitance: $V_{harv} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$.

2.2. Usanifu Ulipendekezwa

Waandishi wanapendekeza utekelezaji maalum kwa kutumia sahani ya shaba ya 50cm x 50cm iliyowekwa kati ya taa ya kawaida ya fluorescent yenye taa nne (4x18W, 220V AC, 50Hz) na dari. Usanifu huu unaboresha kazi ya awali (k.m., mfano wa Linear Technology) kwa kusudi la utekelezaji rahisi, mzunguko usio changamani, na ufanisi wa juu bila kuzuia mwanga. Ishara ya AC iliyovunwa inarekebishwa, inasimamiwa na mzunguko wa udhibiti wa nguvu, na kuhifadhiwa katika kipengele cha kuhifadhi, kama vile supercapacitor.

3. Maelezo ya Kiufundi & Mfano wa Hisabati

Nguvu ya kinadharia ($P_{harv}$) inayoweza kupatikana kutoka kwa mfumo wa EFEH inatawaliwa na mkondo wa uhamisho na impedance bora ya mzunguko wa uvunaji. Mkondo wa uhamisho unaweza kuonyeshwa kama $I_D = \omega \cdot C_{eq} \cdot V_{AC}$, ambapo $\omega$ ni mzunguko wa pembe (2$\pi$f) na $C_{eq}$ ni capacitance ya kuunganisha sawa. Nguvu ya juu inayoweza kuvunwa kwenye mzigo bora ($R_L$) inatolewa na $P_{max} = \frac{(I_D)^2 \cdot R_L}{4}$ chini ya hali ya kuendana kwa impedance.

Makala yanaelezea kwa kina mzunguko sawa, ambao unajumuisha capacitance ya chanzo, capacitance ya sahani ya mvunaji, capacitance za vimelea, na mzunguko wa kirekebishaji/mzigo. Vigezo muhimu vya usanifu ni eneo la sahani (kuamua $C_f$), umbali wa kifaa na ardhi (kuathiri $C_f$ na $C_h$), na mzunguko wa uendeshaji wa gridi ya AC.

4. Usanidi wa Majaribio & Matokeo

4.1. Usanidi wa Prototaypu

Prototaypu ya voltage ya chini ilijengwa na kupimwa. Msingi wa mvunaji ulikuwa sahani ya shaba ya 50x50 cm. Mzunguko wa udhibiti wa nguvu ulijumuisha kirekebishaji cha daraja kamili na vipengele vya udhibiti wa voltage. Nishati ilihifadhiwa kwenye supercapacitor ya 0.1 Farad. Mfumo uliwekwa karibu na taa ya kawaida ya fluorescent iliyowekwa kwenye dari.

4.2. Vipimo vya Utendaji

Muhtasari wa Matokeo ya Majaribio

  • Nishati Iliyovunwa: Takriban Joules 1.25
  • Muda wa Kuchaji: Dakika 25 (kwa supercapacitor ya 0.1F)
  • Nguvu ya Wastani ya Uvunaji: ~0.83 mW (1.25 J / 1500 s)
  • Chanzo: Taa ya Fluorescent ya 4x18W (220V AC, 50Hz)
  • Ukubwa wa Mvunaji: Sahani ya shaba ya 50 cm x 50 cm

Matokeo yanaonyesha uwezekano wa njia hii. Kiwango cha nguvu kilichovunwa (~0.83 mW) kinatosha kuwasha kwa muda mfupi nodi za vichunguzi vya IoT zenye nguvu ndogo sana, kama vile zile zinazotegemea itifaki za Bluetooth Low Energy (BLE) au LoRaWAN, ambazo zinaweza kufanya kazi katika safu ya chini ya mW hadi mamia ya mW wakati wa milipuko ya usambazaji.

Maelezo ya Chati (Yaliyodokezwa): Chati ingeonyesha voltage kwenye supercapacitor ya 0.1F ikipanda wakati wa kipindi cha kuchaji cha dakika 25, ikianza kutoka 0V na kukaribia kwa njia ya asymptoti voltage ya juu iliyodhamiriwa na usanifu wa mzunguko na nguvu ya uga wa chanzo. Mkunjo ungekuwa na sifa ya capacitor inayochajiwa kupitia chanzo cha mkondo cha karibu kila wakati (mvunaji).

5. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Mfumo wa Kutathmini Uwezekano wa EFEH:

  1. Tathmini ya Chanzo: Tambua vifaa vya lengo vinavyowashwa na AC (voltage, mzunguko, udumu).
  2. Usanifu wa Kuunganisha: Amua jiometri ya sahani ya mvunaji na mahali pa kuweka ili kuongeza $C_f$ na uwiano wa $C_f/(C_f+C_h)$.
  3. Uchambuzi wa Bajeti ya Nguvu: Panga wasifu wa nguvu iliyovunwa (kuchaji kidogo kidogo kila wakati) kwa mzunguko wa kazi wa kifaa cha IoT cha lengo (uchunguzi wa sensor, hesabu, usambazaji wa waya).
  4. Ukubwa wa Kuhifadhi: Hesabu uwezo unaohitajika wa kuhifadhi (supercapacitor/betri) ili kuziba pengo kati ya ukusanyaji wa nishati na milipuko ya matumizi.

Mfano wa Kesi - Sensor ya Joto/Unyevu ya Ofisi:
Nodi ya sensor ya IoT hupima joto na unyevu kila dakika 5, huchakata data, na kusambaza pakiti ya baiti 50 kupitia BLE kila dakika 15.
Bajeti ya Nguvu: Mkondo wa usingizi: 5 µA @ 3V. Uchunguzi/hesabu hai: 5 mA kwa 100ms. Usambazaji wa BLE: 10 mA kwa 3ms.
Matumizi ya Nguvu ya Wastani: ~15 µW.
Uchambuzi: Mfumo wa EFEH unaozalisha ~830 µW hutoa ziada ya nishati ya >50x, na kuruhusu uendeshaji thabiti na uvumilivu wa kutofaa. Supercapacitor ya 0.1F hutoa buffer ya nishati ya kutosha.

6. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

  • Mitandao ya IoT ya Majengo Mahiri: Vichunguzi vinavyowashwa kila wakati kwa udhibiti wa HVAC, ugunduzi wa watu, na ufuatiliaji wa mwanga vilivyojumuishwa moja kwa moja kwenye tiles za dari au vifaa vya taa.
  • Ufuatiliaji wa Hali ya Viwanda: Vichunguzi vya mtetemo, joto, au uzalishaji wa sauti vinavyojipatia nguvu kwenye mashine za sakafu ya kiwanda karibu na mistari ya AC ya voltage ya juu au taa.
  • Usimamizi wa Duka na Hesabu: Lebo za kando za rafu zisizo na betri au vifuatiliaji vya mazingira katika maduka yanayowaka mwanga kila wakati.
  • Mwelekeo wa Utafiti:
    • Ujumuishaji wa sahani ya mvunaji ndani ya usanifu wa kifaa cha taa yenyewe kwa kuunganisha bora na uzuri.
    • Uundaji wa IC za usimamizi wa nguvu zenye safu pana ya pembejeo, zenye mkondo wa chini sana wa utulivu, hasa kwa EFEH ya nano-power.
    • Kuchunguza uvunaji kutoka kwa vyanzo vingine vya uga wa AC vilivyo kila mahali kama vile nyaya za nguvu, baba, au paneli za umeme.
    • Mifumo mseto inayounganisha EFEH na vinyunyizi vingine vidogo (k.m., kutoka kwa taa ya LED) kwa ajili ya uthabiti ulioongezeka.

7. Marejeo

  1. Paradiso, J. A., & Starner, T. (2005). Energy scavenging for mobile and wireless electronics. IEEE Pervasive Computing.
  2. Moghe, R., et al. (2009). A scoping study of electric field energy harvesting for powering wireless sensor nodes in power systems. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
  3. Boisseau, S., & Despesse, G. (2012). Electric field energy harvesting. Journal of Physics: Conference Series.
  4. Linear Technology. (2014). Energy Harvesting from Fluorescent Lights Using LTC3108. Application Note 132.
  5. Cetinkaya, O., & Akan, O. B. (2017). Electric-field energy harvesting in wireless networks. IEEE Wireless Communications.
  6. MIT Technology Review. (2023). The Next Frontier for the Internet of Things: No Batteries Required. Retrieved from MIT Tech Review website.
  7. Zhu, J., et al. (2020). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Imetajwa kama mfano wa mawazo ya usanifu wa ubunifu katika uhandisi).

8. Uchambuzi wa Asili & Uhakiki wa Mtaalamu

Uelewa wa Msingi

Makala hii sio tu juu ya kuvuna microwatts; ni mabadiliko ya kimkakati katika falsafa ya miundombinu ya IoT. Waandishi kwa ufanisi wanapendekeza kugeuza mazingira yaliyojengwa ya kizazi kikubwa zaidi, thabiti zaidi cha nishati—uga wa sumakuumeme wa AC unaozunguka wiring na vifaa vilivyo kila mahali—kuwa usambazaji wa nguvu wa mfumo wake wa neva. Uvumbuzi halisi ni utambuzi wa taa za fluorescent sio tu kama vyanzo vya mwanga, bali kama de facto, vinasaba vya nguvu bila waya visivyokusudiwa. Hii inabadilisha dhana ya usanifu kutoka "kuongeza vyanzo vya nguvu kwa vichunguzi" hadi "kuweka ala miundombinu ya nguvu iliyopo iwe ya kujichunguza." Ni hatua inayokumbusha mawazo ya upande kama yale yaliyoko kwenye makala ya CycleGAN, ambayo ilibadilisha matumizi ya mitandao ya kupingana kwa tafsiri ya picha isiyo na jozi kwa kufafanua upya muundo wa tatizo. Hapa, tatizo limefafanuliwa upya kutoka "jinsi ya kuwasha sensor" hadi "jinsi ya kusimbua nishati ambayo tayari imesambazwa na mazingira."

Mtiririko wa Mantiki

Hoja ni ya kulazimisha na ya kimfumo: (1) Kutegemea betri ndio hatari kuu ya IoT kwa kiwango kikubwa. (2) Uvunaji wa nishati ya mazingira ndio suluhisho, lakini vyanzo vingi vinaweza kutokuwa na uhakika. (3) Uga wa umeme wa AC upo kila mahali na ni thabiti katika mazingira ya ndani. (4) Majaribio ya awali yalikuwa magumu na yasiyo na ufanisi. (5) Ubunifu wetu: Usanifu rahisi wa sahani ya capacitance ambao hauingii sana na unatumia jiometri maalum ya taa za kibiashara. Mtiririko kutoka tatizo hadi suluhisho ni safi, na uchaguzi wa taa za fluorescent kama lengo ni wa busara—zina voltage ya juu, zimetumika sana, na mara nyingi huachwa wazi kwa usalama, na kuzifanya kuwa "beacon" kamili ya nguvu "daima inawaka."

Nguvu & Kasoro

Nguvu: Uzuri na utendaji wa usanifu ndio mali zake kuu zaidi. Kutumia sahani ya kawaida ya shaba na kuzingatia ujumuishaji na taa za kawaida za troffer zinaonyesha njia wazi ya kuuzwa kibiashara. Nguvu ya ~0.83 mW iliyopatikana ina maana katika muktadha wa redio za kisasa zenye nguvu ndogo sana na vichunguzi vya mzunguko wa kazi, kama inavyothibitishwa na majukwaa kutoka kwa kampuni kama Everactive au utafiti wa kitaaluma kutoka taasisi kama BWRC ya UC Berkeley. Mwelekeo wa supercapacitor kwa ajili ya kuhifadhi ni sahihi, na kuepuka mipaka ya mzunguko wa maisha ya betri kwa hali za kuchaji kidogo kidogo.

Kasoro Muhimu: Tembo katika chumba ni msongamano wa nishati na umbo la fomu. Sahani ya 50cm x 50cm ni kubwa sana kwa nodi ya sensor. Hii sio suluhisho la kiwango cha chip; ni la kiwango cha tile. Hii inapunguza sana hali za utekelezaji kwa ujenzi mpya au ukarabati mkubwa ambapo mvunaji anaweza kufichwa juu ya dari ya kushuka. Pili, makala hayasemi chochote kuhusu usalama na kufuata kanuni. Kuunganisha kwa makusudi kwenye uga wa AC, hata kwa njia ya capacitance, inaleta maswali kuhusu kutengwa, hali za hitilafu, na usumbufu wa sumakuumeme (EMI). Je, mfumo huu ungepita vipimo vya uzalishaji vya FCC/CE? Haiwezekani bila kuchuja kwa kiasi kikubwa. Mwishowe, mwelekeo wa kuelekea taa za LED, ambazo kwa kawaida hutumia vianja vya chini-voltage, vya mzunguko wa juu, inatishia dhana kuu ya uga wa E wenye nguvu, wa mzunguko wa chini. Ufanisi wa mvunaji na taa za LED za troffer ni swali kubwa lisilojibiwa.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa

Kwa wasimamizi wa bidhaa na viongozi wa R&D, utafiti huu unatoa maagizo mawili wazi:

  1. Fuata Ushirikiano wa Kimkakati na Wazalishaji wa Taa: Baadaye ya teknolojia hii sio kama nyongeza, bali kama kipengele kilichojengwa. Shirikiana na kampuni kama Signify, Acuity Brands, au Zumtobel ili kujumuisha elektrodi bora za mvunaji moja kwa moja kwenye chassis ya chuma au kioo cha kifaa cha taa cha kizazi kijacho "kinachoweza kutumika na IoT". Hii inatatua tatizo la umbo la fomu na ufanisi wa kuunganisha wakati mmoja.
  2. Badilisha Mkusanyiko wa Uvunaji Mara Moja: Usiweke kamwe kamwe kwenye uga wa E kutoka kwa taa za fluorescent. Tumia hii kama teknolojia ya msingi ya uvunaji wa mzigo wa msingi katika mfumo mseto. Unganisha na seli ndogo za photovoltaic kwa maeneo yaliyowashwa na LED au ofisi zilizo na madirisha, na na jenereta za thermoelectric kwa vifaa karibu na mifereji ya HVAC. Utafiti kutoka kwa mradi wa EnABLES wa EU unasisitiza umuhimu wa uvunaji wa nishati kutoka kwa vyanzo vingi kwa uendeshaji wa kuaminika. Unda IC ya usimamizi wa nguvu iliyo umoja ambayo inaweza kutatua kati ya vyanzo hivi kwa urahisi, kama vile jinsi SoCs za kisasa zinavyosimamia cores za hesabu tofauti.

Kwa kumalizia, makala haya ni kipande cha uhandisi chenye akili na chenye kusisimua ambacho kinatambua kwa usahihi hifadhi kubwa ya nishati isiyotumiwa vyema. Hata hivyo, mafanikio yake ya kibiashara yanategemea kuhamia kutoka kwa uthibitisho wa maabara uliounganishwa na teknolojia ya zamani ya taa, hadi suluhisho lililojumuishwa, salama, na mseto lililoundwa kwa mazingira yaliyojengwa ya baadaye. Uelewa ni wenye nguvu; utekelezaji sasa lazima ubadilike.