TFM: Development of an auto-tuned mechanical energy harvester

Prototipo mecánico de energy harvester

The Wireless Sensor Networks (WSNs) field is expected to experience a disruptive development in the next few years. One of the main obstacles that designers face is the extremely low consumption requirements related to this networks, as the operational costs involved in changing empty batteries might be very high. Therefore, technologies that permit recovering residual energy from the environment –frequently referred as Energy harvesting techniques- might become a powerful enabler for WSNs, reducing the pressure exerted by the strict consumption restrictions.

The present work describes the full design and development of a mechanical Energy harvester based on an electromagnetic transducer. The system is capable of transforming mechanical energy in form of vibrations with a non-flat energy density spectrum into electrical energy that can be used to power sensors, ideally increasing their autonomy indefinitely.

In order to transform a reasonable amount of energy, the system must remain tuned with the external excitation: its natural frequency has to match the external vibration frequency. To guarantee this, the system has been designed so that it is able to auto-tune itself by changing its natural frequency within the range of 30 to 70 Hz, which typically contains the vibrations generated by engines and industrial machinery.

With this objective, an initial study of the State-of-the-art models and their working principles has been carried out, and some mechanical architectures to modify the system’s natural frequency have been introduced. The architectures have been simulated, built by means of 3D printing, measured and characterized to conclude that the most adequate one is based on changing the effective vibrating length of a steel cantilever. Strategies to determine whether the system is tuned have been then studied, and the advantages of using an algorithm based on the phase difference between the external excitation and the cantilever tip have been justified. An electronic system based on a microcontroller has been designed to implement the algorithm, and the study of the transducer has shown the need for some conditioning electronics. A voltage multiplier in a parallel topology has been used for this purpose. The multiplier has been designed so that its multiplying steps number can be altered. Finally, a supercapacitor has been proven to fit the application more adequately than a battery, so it has been used as the energy storage solution.

Once the system has been developed, a fully functional auto tuned prototype has been achieved. The prototype is able to power an electronic system. However, due to the great power consumption the electromechanical actuator imposes, the auto-powering of the system is only feasible in environments where tuning is seldom required. This would most likely change with the reduction in electromechanical actuators consumption, which would allow the use of systems as the one described in other fields where vibrations change in a more frequent fashion.

TFG: DISEÑO Y DESPLIEGUE DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES COGNITIVAS

cNGD

 

No cabe duda de que estamos siendo testigos del gran impacto que está teniendo el crecimiento del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) en la actualidad. Cada vez son más el número de dispositivos wearables, de electrodomésticos inteligentes, coches sensorizados… presentes en nuestra vidas.

 
Se estima que para 2020 más de 250.000 vehículos y más de 245 millones de dispositivos wearables estén conectados a la red.
Es lógico pensar que tal conexión masiva de dispositivos produce y producirá más aún un uso ineficiente del espectro radioeléctrico en las bandas libres disponibles provocando un ineficiente uso de las prestaciones de la red . Por lo que un elemento clave para evitar tal fenómeno son las Redes inalámbricas de sensores cognitivas (Cognitive Wireless Sensor Network, CWSN) compuesta de nodos cognitivos capaces de modificar sus parámetros de comunicación dinámicamente para evitar interferencias dentro de la red, mejorando así las prestaciones de la misma.

 
Una de las principales líneas de investigación dentro del B105 Electronic Systems Lab, es el desarrollo de CWSN. Debido a ello en los últimos años se han llevado cabo en diferentes proyectos tanto el desarrollo hardware de un nodo cognitivo (cognitive Next Generation Device, cNGD) como la implementación software de la pila de protocolos que permite al nodo comunicarse en tres bandas diferentes y libres del espectro radioeléctrico, que cumplen con la legislación vigente en Europa.

 
Este Trabajo de Fin de Grado se centra en realizar el diseño y despliegue de un banco de pruebas (test-bed) de una CWSN. Esto implica realizar un estudio previo de los proyectos mencionados anteriormente para poder realizar un correcto montaje hardware de los nodos cognitivos que integrarán la CWSN así como el diseño, implementación y realización de una serie de pruebas para verificar el correcto montaje de los mismos. Para poder desplegar el test-bed ha sido necesario hacer un previo diseño de la CWSN teniendo en cuenta las limitaciones que presenta el protocolo de comunicaciones, las distintas funcionalidades que puede tener un cNGD y las pruebas a realizar sobre la red. Una vez realizado el despliegue se ha podido caracterizar ciertos parámetros de la red tales como el alcance, la latencia o el consumo de los nodos. Para medir este último parámetro se realizará el diseño e implementación de un módulo de expansión de la placa cNGD para medir el consumo del nodo en sus distintas funcionalidades.

 

TFG: Diseño e implementación de un sistema de gestión del uso de equipos basado en la tecnología NFC

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La situación del B105 Electronic Systems Lab es la de un entorno de trabajo donde varias personas comparten recursos hardware como son un puesto de soldadura o distintos equipos de medida. Si una persona necesita uno de estos recursos, tiene que localizarlo en el laboratorio y comprobar si está libre o en uso. Para facilitar esta tarea, actualmente, la persona que coja un recurso hardware debe dejar constancia en un corcho de su posesión, aunque esta práctica está poco extendida.

Así, el objetivo de este trabajo es el de informatizar dicho control. Aprovecharemos el servidor del que se dispone en el laboratorio para almacenar información sobre las herramientas en uso. Para ello, este trabajo se basa en la gran extensión del sistema operativo Android sobre los teléfonos móviles inteligentes que nos rodean y el uso de la tecnología “Near Field Communication” (NFC). Esta tecnología permite leer pequeños dispositivos sin alimentación, denominados etiquetas, acercando el teléfono móvil a unos pocos centímetros de ellas.

El uso de la tecnología NFC en dispositivos móviles se extendió a partir de la versión de Android 4.4 (Kit Kat) cuando se incluyó la posibilidad de que el smartphone actuase como un emulador de tarjetas. Esta característica conlleva el intercambio de información entre sistemas, ya que permite que un terminal pueda ser leído como una etiqueta NFC. No obstante, para la realización de este trabajo, nos interesará el primer uso que se le dio en Android, el de la capacidad de leer etiquetas pasivas.

Para el despliegue, se distribuirán etiquetas por los equipos de medida conteniendo información sobre estos. El smartphone, al leer una de estas etiquetas, se comunicará con el servidor y dejará constancia de la reserva. Una peculiaridad de algunas herramientas es que la estructura externa es metálica, por lo que se precisará de etiquetas especiales con una capa de ferrita para aislarlas de la estructura.

TFG: Diseño e implementación de una red de nodos inalámbricos para comunicaciones multipunto de contenido multimedia

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En estos últimos años las redes inalámbricas de nodos de bajos recursos han incrementado notablemente su presencia, y debido al auge de tendencias como el “Internet de las Cosas”, se espera que cada vez más estos nodos se encuentren presentes en nuestro día a día. La flexibilidad y bajo coste de su despliegue, frente a redes de nodos cableados, hacen que sean la primera opción al implementar un sistema.

 

Estas redes normalmente no son exigentes con las tasas binarias de transmisión, y es por ello, que transmitir contenido multimedia a través de una red inalámbrica con recursos limitados suponga un mayor reto. Debido al deseo de crear grandes redes capaces de intercambiar datos, no sólo se buscan comunicaciones inalámbricas entre nodos, sino que además es deseable que estas sean multipunto.

 

El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es diseñar e implementar un sistema sencillo, independiente y de bajo coste con el que se puedan intercambiar de forma inalámbrica contenido multimedia, de manera que se consiga un sistema de comunicación multipunto con mínimos recursos.

Thesis: Design techniques for Wireless Neural Networks.

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Author:

Gisela Mur Arroyo

Advisor:

Alvaro Araujo Pinto

Synopsis:

Based on Wireless Sensor Networks (WSN),, the Wireless Neural Networks (WNN) appears with the objective to obtain, transmits and generates neural signals as the human body does. In contrast to the WSN, the WNN operates in a very critical boundary conditions. Because of been on the human body, it have to pay special attention to the energy absorption or the thermal damage that can be generate because the constant contact between the sensor and the skin. Therefore, the radiated power is limited in this type of networks.

Therefore, the main objective of this thesis is to obtain a design techniques for the generation of a wireless neural networks that allows to obtain and transmits wirelessly neural signals originated by the nervous system and generate them in another part of the human body.

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The neuron generates an action potential or “spike” each time it propagates information. So, this thesis aim to  detect a spike in a neuron and transmits it to another node the existence of this action potential. Once the receptor receives the existence of the spike, it generates an electrical stimulation in another part of the human body.

 

 

TFG: Análisis y diseño de un estimulador transcutáneo de pulsos eléctricos.

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El dolor es algo que nos acompaña en nuestro día a día y puede deberse a causas muy diversas como golpes, malas posturas, lesiones… Normalmente se combate mediante fármacos o tratamiento fisioterapéutico, pero gracias al desarrollo del campo de la medicina y la electrónica surgen nuevas alternativas, como es el caso del TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulator), un generador de pulsos eléctricos que, mediante unos electrodos situados sobre la piel, envía unos estímulos no dolorosos que inhiben los estímulos dolorosos que se quieren eliminar.

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El objetivo de este Trabajo Fin de Grado consiste en desarrollar un TENS funcional mediante un microprocesador y un posterior circuito de amplificación, siendo posible seleccionar la frecuencia, intensidad, ancho de pulso y forma de onda del estímulo no doloroso.

Fin de PFC: Estudio de posibles diseños de sistemas de navegación para casos de ceguera o deficiencia visual grave

Bastón Blanco

 

Tras una tediosa etapa de recopilación y organización de información, se pone fin a este proyecto fin de carrera. Su objetivo, continuando en la linea del pasado artículo, consiste en estudiar si los últimos avances tecnológicos permitirían que todo aquel que sufre de poca o ninguna visión pueda disfrutar de una mayor autonomía al desplazarse por la ciudad o en interiores.

El documento impreso incluye en primer lugar un estudio del perfil de usuario, tratando cuestiones como cuál es el número de usuarios potenciales, qué necesitan, cuáles son sus circunstancias (empleo, educación, nivel de ingresos, etc.) o cómo se manejan con las nuevas tecnologías. En dicho estudio y a lo largo del documento se recomienda aprovechar la creciente tendencia a utilizar teléfonos inteligentes en el diseño de futuros dispositivos; proyectos clásicos como The vOICe cuentan con su propia aplicación móvil gratuita.

En segundo lugar, se ahonda en la trayectoria I+D+i de los sistemas de navegación para personas con discapacidad visual. No han sido pocas las soluciones propuestas hasta la fecha, empezando por los trabajos de Paul Bach-y-Rita, C. C. Collins et alii en el ámbito de la sustitución sensorial; las propuestas simultáneas de Collins y Jack M. Loomis acerca de recurrir al GPS para guiar a invidentes; incluso la progresiva introducción de elementos propios de la realidad aumentada, hasta sistemas más recientes que trabajan con visión artificial (Seeing AI), redes de balizas BLE (Bluetooth Low Energy, ver WayFindr), etc.

Una vez alcanzado el punto de desarrollo actual, se evalúan una lista de campos tecnológicos con amplia financiación como posibles elementos críticos en el desarrollo de futuros sistemas; a saber: realidad virtual y aumentada, wearables, conducción autónoma, drones, y otros tantos relacionados con el nuevo paradigma de las telecomunicaciones (5G, IoT, WSN, … ).

Pasados estos puntos, se propone una nueva arquitectura de sistema fundamentada en la visión artificial y las nuevas infraestructuras de telecomunicaciones, guiados por los proyectos previos, aceptación de los dispositivos desarrollados, y las necesidades y características de los futuros usuarios.

Uno de los elementos clave en dicha arquitectura consiste en la interfaz de usuario, ya que aun disponiendo de toda la información útil sobre el entorno, discernir qué necesita conocer el usuario y cómo comunicárselo de forma óptima constituye uno de los principales problemas de este tipo de sistemas.

Realidad aumentada - sonido 5

La solución propuesta es vieja, pero en un nuevo contexto técnico: la realidad aumentada. A día de hoy se podrían aprovechar tecnologías de este campo, con Tango (Google) o Microsoft Hololens como ejemplos característicos, para introducir en el entorno elementos virtuales perceptibles por el oído (imagen arriba) o por el tacto que describan el entorno al usuario de forma intuitiva.

Sin embargo, las interfaces hápticas (tacto) actuales son muy pobres como para implementar soluciones de este tipo. Es por ello que se ha diseñado una plataforma de pruebas para la estimulación nerviosa transcutánea sobre la placa de desarrollo F28377S Launchpad de Texas Instrument (imagen abajo), y una interfaz con la plataforma Matlab, de cara a continuar en otra de las viejas soluciones: la interfaz electrotáctil.

Un ejemplo de dispositivo comercial que emplea esta tecnología es el BrainPort v100, fruto (en parte) de los trabajos de Paul Bach-y-Rita et alii; pero extender el campo de acción de la interfaz electrotáctil a zonas del cuerpo más allá de la lengua conlleva complicaciones aún sin resolver.

El objetivo del dispositivo desarrollado es, por tanto, trabajar con técnicas recientes orientadas a resolver este problema, y estudiar si es posible implementar una interfaz electrotáctil que “envuelva” al usuario. Se prevé que este tipo de interfaz permitiría simular percepciones útiles para guiar al usuario de forma eficiente, tales como el contacto con objetos virtuales (ejemplo en la figura de abajo, derecha).

Congreso EWSN 2017 en Upsala

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Del 20 al 22 de febrero tuvo lugar en Upsala (Suecia) la International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN 2017), uno de los eventos europeos de mayor relevancia en redes de sensores. Este año, la conferencia estaba especialmente enfocada a la fiabilidad de este tipo de redes y sistemas, organizándose incluso una competición en torno a esta temática. Además, hubo dos workshops de temática más específica, NextMote: Next Generation Platforms for the Cyber-Physical Internet y MadCom: New Wireless Communication Paradigms for the Internet of ThingsPor último, se realizó también una sesión de posters y demos en la que se presentaron trabajos e ideas interesantes.

Como representación del B105 asistieron a esta conferencia los miembros Alvaro Araujo y Ramiro Utrilla, presentando este último en el Workshop NextMote su trabajo A hybrid approach to enhance cognitive wireless sensor networks with energy-efficient software-defined radio capabilities“, enmarcado dentro de su tesis y cuyos co-autores han sido Alba Rozas, Javier Blesa y Alvaro Araujo. La asistencia a este evento ha sido una gran oportunidad para conocer trabajos de muchas universidades del mundo, así como para recibir realimentación sobre la investigación que realizamos en el grupo.

Merece la pena destacar que el año que viene esta conferencia tendrá lugar en la Universidad Carlos III de Madrid, lo que será una gran oportunidad para fomentar la participación de más estudiantes y miembros del B105.

Por último, además de la experiencia de asistir a un evento de estas características, el viaje nos permitió visitar a antiguos miembros del B105 y disfrutar de unos días en un país magnífico como es Suecia, que nos sorprendió con una calurosa bienvenida en el aeropuerto.

DISEÑO PARA LA MEJORA Y EXPANSIÓN DE UNA PASARELA DE COMUNICACIONES ENTRE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICA Y UN TELÉFONO MÓVIL INTELIGENTE

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En este proyecto se trabajará sobre el concepto de las redes inalámbricas de sensores, cuyo uso se encuentra muy extendido en la sociedad. Estos sistemas interactúan con el entorno  en el que se encuentran recopilando diferentes parámetros del mismo como puedan ser humedad, temperatura o velocidad del viento. También pueden desempeñar diferentes aplicaciones como el control del estado de la infraestructura de un edificio.

Estos nodos se comunican unos con otros a través de la tecnología de radiofrecuencia, lo cual supone una complicación para poder proveer a un operario del sistema de una interfaz clara que le permita acceder a toda esta información recabada del entorno y realizar diferentes gestiones sobre el estado de la infraestructura de la red.

Ante esta necesidad, observamos que un smartphone puede ser una herramienta con mucho potencial de cara a proveernos de una interfaz gráfica e intuitiva para establecer intercambios de información con la red.

Todo este escenario se resolvió con un proyecto anterior en el cual se diseñó un dispositivo para actuar como nodo pasarela de comunicaciones (PGN) entre la red de nodos y un teléfono móvil inteligente haciendo las funciones de interfaz gráfica de cara a un usuario final.

Sin embargo, en este proyecto existían una serie de limitaciones en cuanto a la funcionalidad del sistema global, y es que el rol asignado al nodo PGN dentro de la red no permitía ni el despliegue de la infraestructura ni la posterior puesta en marcha del sistema sin la presencia física de dicho elemento. Por otro lado,  el protocolo de comunicaciones implementado no nos permitía acceder a toda la información sobre la red que nos gustaría de cara a establecer una comunicación lo más eficiente posible.

Por lo tanto, se ha diseñado un nuevo rol para la pasarela de comunicaciones dentro de la infraestructura de red que permita aumentar la funcionalidad y flexibilidad de la misma, y se ha diseñado un nuevo protocolo de red que nos permita establecer una comunicación más efectiva entre todos los elementos del  sistema. A continuación se puede observar el nuevo diseño del entramado de mensajes así como un ejemplo ilustrativo de una petición, respecto al valor medido de temperatura y su correspondiente respuesta, sobre un dispositivo concreto del sistema:

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Petición y respuesta para comando get_temperature

En este proyecto se ha conseguido corregir estas limitaciones ampliando la funcionalidad del sistema global. Se han realizado las siguientes tareas:

  • Se ha diseñado e implementado el firmware necesario para gestionar el correcto funcionamiento de cada uno de los dispositivos del sistema. Para ello se ha trabajado sobre la capa de aplicación del protocolo de red.
  • Desarrollo e implementación de un nuevo entramado para las peticiones y respuestas de la red y diseño de una gama más amplia de mensajes.
  • Integración de aplicación Android en el sistema para mejor interacción entre WSN y usuario.
  • Herramientas utilizadas: IAR (C), Android Studio (Java).

Artículo aceptado en la EWSN 2017

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Los días 20, 21 y 22 de febrero de 2017 se celebrará en Upsala (Suecia) la Conferencia Internacional Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN 2017).  En ella, el miembro del B105 Ramiro Utrilla presentará su artículo “A hybrid approach to enhance cognitive wireless sensor networks with energy-efficient software-defined radio capabilities“. En concreto, este trabajo, enmarcado dentro de su tesis y cuyos co-autores han sido Alba Rozas, Javier Blesa y Alvaro Araujo, ha sido aceptado en el Workshop Next Generation Platforms for the Cyber-Physical Internet (NextMote).

En primer lugar, el artículo propone una metodología híbrida de operación para redes inalámbricas de sensores cognitivas (CWSN) que consiste en que los nodos de dicha red exploten la tecnología de radio definida por software (SDR) para llevar a cabo aquellas acciones que estrictamente requieren su alta flexibilidad, empleando transceptores tradicionales de función específica, que demandan menos recursos del nodo, para las tareas restantes. A continuación, se presenta la arquitectura y los principales componentes electrónicos de una plataforma capaz de operar según esta metodología. Esta solución constituye una reducción significativa del consumo de energía en comparación con los sistemas SDR de bajo consumo existentes, manteniendo al mismo tiempo la funcionalidad necesaria para la investigación en CWSNs.

Esperamos que nuestro trabajo sea de interés para la comunidad y que la asistencia al congreso sea una gran experiencia de la que traernos nuevas ideas y contactos de interés para el grupo.