Diseño de microsistemas embebidos energizados en forma inalámbrica

Abstract

El avance en técnicas de transferencia inalámbrica de energía y el desarrollo de componentes electrónicos de bajo consumo de energía han posibilitado la aparición de sensores embebidos sin cables ni baterías. Un ejemplo son los sensores basados en etiquetas de Identificación por Radio Frecuencia (RFID), donde las etiquetas están integradas con otros componentes como sensores, conversores analógico-digitales e incluso microcontroladores. En este ejemplo, las etiquetas RFID se utilizan para comunicación de datos y para captación de energía; se establece un acoplamiento inductivo resonante (IRC) que permite alimentar los circuitos electrónicos para realizar la función de sensado y comunicación. Algunas aplicaciones son: monitoreo de condición de elementos de máquinas en rotación, sensores embebidos en concreto, implantes biomédicos y ganadería de precisión. Estas nuevas aplicaciones se agrupan dentro del campo “Internet de las Cosas” (IoT), cuyas principales características son: sensores de bajo consumo y bajo costo, conectividad inalámbrica, procesamiento y almacenamiento de datos en la nube (Cloud Computing). La figura 1 muestra un prototipo de sensor para monitoreo de temperatura en cojinetes biela. La etiqueta, embebida en la biela, transmite información de temperatura en cojinetes mientras recibe energía del lector, fijo a la carcasa de la máquina. Se pueden identificar cinco desafíos sistemáticos inherentes al diseño de microsistemas energizados con IRC, ellos son: el tamaño de las bobinas transmisora y receptora, el rango de transmisión, el medio de transmisión (medio circundante), la desalineación lateral y angular de las bobinas, y la potencia requerida en la etiqueta. El proyecto de investigación tiene como objetivo desarrollar técnicas de diseño de pequeños sistemas inalámbricos y sin batería, con el empleo de un IRC como medio de enlace para proveer energía y un canal de comunicación. Existe mucha literatura referida al desarrollo y utilización de IRC en implantes biomédicos, por lo que este proyecto pretende extender el diseño a otro tipo de aplicaciones, como por ejemplo monitoreo de variables en elementos de máquinas en movimiento (véase Figura 1). No obstante, los resultados esperados podrán ser adaptados y utilizados en cualquiera de las aplicaciones antes mencionadas. En la actualidad se mantienen tres líneas de trabajo. La primera línea se ocupa del desarrollo de la Ley del Modelo en IRC. Se realiza un desarrollo analítico de la ley del modelo con los parámetros que definen el acoplamiento inductivo entre bobinas en un medio magnético uniforme y lineal (aire), y en un medio no uniforme debido a la presencia de elementos metálicos. Este enfoque aprovecha el conocimiento experimental que se obtiene en un modelo y predice el comportamiento sobre un prototipo. La segunda línea de trabajo trata el cálculo numérico de las ecuaciones que intervienen en el proyecto. Dicho cálculo está referido al planteo de ecuaciones del electromagnetismo que, debido a su complejidad, no presentan una solución analítica. Por último, la tercera línea de trabajo se refiere al diseño del microsistema embebido. Contiene el desarrollo y exploración de técnicas de diseño de hardware y firmware, priorizando minimizar el gasto de energía, dadas las características de estos sistemas.