Die Nutzung von Umgebungsenergie ermöglicht bei einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen drahtloser Sensorknoten eine autarke Energieversorgung. Wartungseingriffe sowie unvorhergesehene Energieengpässe begrenzen den autarken Einsatz derartiger Sensorknoten oder erfordern eine deutliche Überdimensionierung der Energy Harvester und Energiespeicher. Anwendungen, wie der Einsatz in unzugänglichen Bereichen, Sensornetzwerken mit einer großen Anzahl von Knoten oder sehr kleinen Knoten / Smart Dust, können unwirtschaftlich werden, wenn kein wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Erreicht ein drahtloser Sensorknoten einen energetisch niedrigen Zustand, ist es für einen erneuten Start erforderlich, dass zusätzlich zu einer ausreichenden Spannung genügend Energie für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei zu zeitiger Aktivierung wird der Startvorgang aufgrund der einbrechenden Spannung nicht abgeschlossen und verhindert die Aufnahme des Betriebs. Ein Voltage Supervisor wird benötigt, um den Startvorgang so lange zu verzögern, bis ausreichend Energie für diesen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Voltage Supervisor für das Energiemanagement umgebungsenergieversorgter Sensorknoten vorgeschlagen. Die Herausforderungen liegen in der Realisierung einer definierten Abschalt- und Startcharakteristik, auch bei langsamen oder variablen Spannungsanstiegen, in der Implementierung einer Kaltstartfähigkeit und im zuverlässigen Schaltverhalten unter widrigen Umgebungsbedingungen oder niedrigem Energieeintrag. Für eine hohe Effizienz wird bei jeder Spannung ein geringer Eigenleistungsverbrauch gefordert. Im Ergebnis wird ein Konzept vorgestellt, welches einen zuverlässigen wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Funktionen, wie die Abschaltung des Mikrocontrollers nach Erledigung der Aufgabe, ermöglichen darüber hinaus, weniger Energie als im Schlafmodus zu verbrauchen. Mit dieser Methode kann ein intermittierender Betrieb in Abhängigkeit der verfügbaren Energie realisiert werden. Simulation, experimentelle Untersuchung und die Einbettung in einen umgebungsversorgten drahtlosen Sensorknoten validieren die Funktionsfähigkeit unter allen gestellten Anforderungen. Der mittlere Eigenleistungsverbrauch der vorgeschlagenen Schaltung liegt bei 5,58 µW. Bei niedrigen Spannungen von 0 V – 1,4 V werden lediglich 568 nW benötigt. / The use of ambient energy enables an autonomous energy supply for an increasing number of wireless sensor node applications. Maintenance interventions or unforeseen energy input drops limit the autonomous use of such sensor nodes or require significantly oversized energy harvesters and energy storages. Applications such as the use in inaccessible areas, sensor networks with a large number of nodes or very small nodes / Smart Dust can become uneconomical, if no maintenance-free operation can be guaranteed. If a wireless sensor node reaches an energetically low state, it is necessary for a restart, that sufficient voltage and in addition sufficient energy is available for the starting process. In the case of too early activation, the starting process will not be completed due to the voltage drop and will prevent the start of operation. A Voltage Supervisor is required to delay the start until sufficient energy is available. Within the scope of this thesis, a voltage supervisor for the energy management of environmental-powered wireless sensor nodes is proposed. The challenges are in the realization of a defined switch-off and start characteristic even with slow or variable voltage slopes, a cold start capability and in reliable behaviour under adverse environmental conditions or low energy input. For high efficiency, a low power consumption is required at every voltage. As result, a concept is presented which enables reliable maintenance-free operation. In addition, the microcontroller can switch itself off completely after completion of the task and thus consume even less energy than in sleep mode. With this method, intermittent operation depending on the available energy, can be realized as well. Simulation, experimental investigation and inclusion in an energy harvesting supplied wireless sensor node validate the functionality under all given conditions. The average power consumption of the proposed circuit is 5.58 µW. At low voltages in the range 0 V - 1.4 V only 568 nW are required.

This master thesis is focused on smart display modules and their management. Attention is paid on analysis of the current state with focus on power supply and remote management. The goal of this master thesis is to design and develop a prototype of a wireless display module and management system on the base of gained knowledge. A substantial part of this thesis is also a base station which allows remote access to network with wireless display modules and management.

Cieľom tejto práce bolo navrhnúť alternatívny zdroj energie pre riadiacu jednotku, ktorú obsahujú komponenty traťového zabezpečovacieho zariadenia v rámci európskeho systému riadenia železničnej dopravy. V porovnaní s predchádzajúcimi harvestormi bola vďaka použitiu lineárneho elektrického generátora eliminovaná mechanická väzba, ako napr. prevodovka. To by malo zvýšiť životnosť a spoľahlivosť zariadenia. S pomocou analógie magnetických obvodov a softvéru využívajúceho metódu konečných prvkov FEMM a Ansys Maxwell, boli navrhnuté tri rôzne synchrónne generátory s permanentnými magnetmi. Simulácia v prostredí Matlab Simulink dokázala, že výsledný návrh generátora je schopný dodávať priemerný výkon 5 W počas prechodu vlaku zo stlačenia pražca väčšieho ako 2 mm.

Tato práce se zabývá vývojem nezávislého elektrického zdroje pro moderní nízkopříkonové elektrické aplikace. Protože tradiční řešení napájení drobných spotřebičů s využitím baterií či akumulátorů snižuje uživatelský komfort kvůli potřebě pravidelné údržby, navrhovaný zdroj využívá principu energy harvesting. Tento princip spočívá v získávání energie přímo z okolního prostředí napájené aplikace a její přeměně na energii elektrickou, která je dále využita pro na-pájení moderních MEMS (mikroelektromechanických) zařízení. Potenciální aplikací vyvíjeného zdroje je především moderní nositelná elektronika a biomedicínské senzory. Tato oblast využití ovšem klade zvýšené nároky na parametry generátoru, který musí zajistit dostatečný generovaný výkon z energie, dostupné v okolí lidského těla, a to při zachování prakticky využitelné velikosti a hmotnosti. Po stanovení předběžných požadavků a provedení analýz vhodnosti dostupných zdrojů energie ke konverzi byla k využití vybrána kinetická energie lidských aktivit. Byla provedena série měření zrychlení na lidském těle, především v místě předpokládaného umístění generátoru, aby bylo možno analyzovat a generalizovat hodnoty energie dostupné ke konverzi v daném umístění. V návaznosti na tato měření a analýzy byl vyvinut inovativní kinetický energy harvester, který byl následně vyroben jako funkční vzorek. Tento vzorek byl pak testován v reálných podmínkách pro verifikaci simulačního modelu a vyhodnocení reálné použitelnosti takového zařízení. Kromě samotného vývoje generátoru je v práci popsán i originální způsob zvýšení generovaného výkonu pro kinetické energy harvestery a jsou prezentována statistická data a modely pro predikci využitelnosti kinetických harvesterů pro získávání energie z lidské aktivity.

This thesis deals with modifications to the construction of vibration-to-electricity energy converter, which is one of possible solutions to problem of sustainable and stable energy source for wireless sensor supply. Upon the exploration of the present state of this problem, new construction of generator is proposed. The aim of this proposal is to enhance the existing generator properties with respect to retention of its dimensions and its weight. Results obtained by simulations of model with proposed parameters are presented and analysed.

This master’s thesis deals with the design of autonomous monitoring system electronics which will be used for diagnostics of the electromagnetic vibration generator developed at Brno University of Technology. This generator should be used in a practical application where frequent mechanical shocks are present, for example in vehicle or goods transportation. For such an application, the goal of the monitoring system is to find out whether generator is capable of producing enough electrical energy for smooth operation of wireless sensors used in similar applications. The first part of the thesis consists of the autonomous diagnostics system overview from both commercial and scientific spheres, brief description of the vibration generator used and also a summary of commercially available power management electronics. The next chapters present the detailed description of each functional element of energy harvesting system, the simulation of generator’s behaviour for optimal load in three different model applications and the most important part – design of the autonomous monitoring system. In the end, achieved results are evaluated and it is considered whether the shock-driven generator is suitable for use in a given application.

This thesis deals with the problem of waste heat, namely, the exhaust gas which are not frequently used. Specifically, it is a design of thermoelectric generators set, power electronics for fan and heat exchanger proposal. The entire system uses the energy of the waste heat to increase the heating efficiency.

Dissertation thesis is focused on using alternative energy sources called energy harvesting. This thesis offers a solution to problems with autonomous powering of sensor networks if primary power source recovery is impossible. In these cases, energy of the external power (e.g. temperature, light, motion) should be used. Proposed solution should be especially used in the field of medical applications (e.g. cochlear implants, pacemakers, insulin pumps). Long time monitoring of the personal health status is also possible when employing automated sensor systems. In this work, there is state of art review relating to the low power energy sources for an alternative powering of sensor systems. It was observed that existing systems are almost prepared for the implementation of energy harvesting power sources. The energy harvesting power sources have been developed by numerous researcher teams around the world, but there are only a few variants of power management circuits for effective energy gaining, storing and using. This area has a huge potential for the next research. The issues regarding to the distribution of gained energy are solved on the complex level in the thesis. For these purposes, a new simulation model of the whole system (fully implantable artificial cochlea) including its subcircuits was developed in the SPICE environment. It connects independent subcircuits into a single comprehensive model. Using this model, a few novel principles for energy distribution (e.g. Charge Push Through technique) was developed. In the near future, these techniques are also applicable to the design of versatile sensor systems.

The thesis elaborates on an implementation of wireless home security system. The wireless communication utilizes IEEE 802.15.4 radios and ZigBee communication protocol. The beginning of the thesis provides specification of the intended system followed by an evaluation of usable energy harvesting solutions and later by consideration of single board computer systems suitable for implementation of the control node of the sensor network. The rest of the thesis describes design, implementation and testing of particular components of the security system. Conclusion evaluates the achieved goals and offers suggestions for future work. The end products of the thesis are physical devices implementing wireless sensor nodes, control unit of the security system as well as a graphical user interface for the system management.

The main challenge in the design of vibration energy harvesters is the optimization of energy outcome relative to the applied excitation to reach a higher efficiency in spite of the weakness of ambient energy sources. One promising principle of vibration converters is magnetoelectricity due to the outstanding properties of magnetostrictive and piezoelectric laminate composites, which provide interesting possibilities to harvest energy from low amplitude and low frequency vibration with relatively high energy outcome. For these devices, ensuring high deformations in the magnetostricive layers, improvement of the magnto-mechanical and the electro-mechanical couplings are highly required for the optimization of the energy outcome. This thesis primarily aims to develop a model based harvester design for magnetoelectric (ME) converters. Based on a comprehensive understanding of the complex energy flow in magnetoelectric transducers, several design parameters are investigated. For instance, magnetostriction in a Terfenol-D plate is investigated by means of atomic force microscopy under similar conditions as within magnetoelectric transducers. A novel measurement approach was successfully developed to detect the evolution of magnetic domains and measure deformations in a Terfenol-D plate in response to externally non-uniform applied magnetic fields. Furthermore, a finite element model is developed to predict the induced voltage in the ME transducer as a response to the magnet’s displacement, corrected based on atomic force microscopy measurements, and used for the design of the harvester. The presented three- dimensional model takes into consideration the nonlinear behaviour of the magnetostrictive and piezoelectric materials. Additionally, three novel converters having different magnetic circuits are designed and analysed analytically based on Lindstedt-Poincaré method. The effects of the structure parameters, such as the nonlinear magnetic forces, the magnetic field distribution and the resonance frequency are discussed, and the electric output performances of the three designed converters are evaluated. In order to improve both mechanical and electrical coupling between the piezoelectric and the magnetostrictive layers, a bonding technique at room temperature is proposed which uses conductive polymer nanocomposites. Two magnetoelectric transducers are fabricated based on this technique having 1 wt.% and 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes in epoxy resin. Another magnetoelectric transducer is fabricated by a classical technique for comparison purposes. In order to validate the design, a series of demonstrators are designed and fabricated according to the simulation and optimization results. The proposed design is composed by a cantilever beam, a magnetic circuit with several magnet arrangements and a magnetoelectric transducer, which is formed by a piezoelectric PMNT plate bonded to two magnetostrictive Terfenol-D layers. In this design, external vibrations are converted to magnetic field changes acting on the magnetostrictive layers leading to deformations, which are transmitted directly to the piezoelectric layer. The converters are tested under harmonic excitations and real vibration profiles reproduced by an artificial vibration source. Different parameters were investigated experimentally including the magnetic forces between the transducer and the magnetic circuit and the used bonding technique. Tuning the resonance frequency of the ME converter is also addressed using a simple screw/nut system, which allows to control the relative position and therefore the magnetic forces between the magnetic circuit and the transducer. The magnetoelectric transducer bonded with 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes shows better output performances than the two other ME transducers under similar excitations. A maximum power output of 2.42 mW is reached under 1 mm applied vibration at 40 Hz. This performance presents an improvement of minimum 20 % of the reached energy outcome by other magnetoelectric vibration converters using single ME transducer at comparable applied excitations. / Die größte Herausforderung bei der Konstruktion von Vibrations-Energiewandlern ist die Optimierung der gewonnenen Energie im Verhältnis zur angewandten Anregung, um trotz schwacher Umgebungsenergiequellen einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Ein vielversprechendes Prinzip von Vibrationswandlern ist die Magnetoelektrizität aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von magnetostriktiven und piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, die interessante Möglichkeiten bieten, Energie aus niederfrequenten Schwingungen mit kleinen Amplituden zu gewinnen. Bei diesen Wandlern ist die Sicherstellung hoher Verformungen in den magnetostriktiven Schichten, die Verbesserung der magnetisch-mechanischen und der elektromechanischen Kopplungen für die Optimierung des Energieertrages sehr wichtig. Diese Arbeit zielt in erster Linie auf die Entwicklung eines modellbasierten Entwurfs für magnetoelektrische (ME) Wandler ab. Basierend auf einem umfassenden Verständnis des komplexen Energieflusses in magnetoelektrischen Wandlern werden mehrere Entwurfsparameter untersucht. So wird beispielsweise die Magnetostriktion in einer Terfenol-D-Platte mittels Rasterkraftmikroskopie unter ähnlichen Bedingungen untersucht wie in magnetoelektrischen Wandlern. Dabei wurde eine neuartige Messmethode erfolgreich entwickelt, um die Entwicklung von magnetischen Domänen zu erfassen und die Deformation in einer Terfenol-D-Platte als Reaktion auf extern ungleichmäßig angelegte Magnetfelder zu messen. Darüber hinaus wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, um die induzierte Spannung im ME-Wandler als Reaktion auf die Verschiebung des Magneten vorherzusagen, welches auf der Grundlage von Atomkraftmikroskopie Messungen korrigiert und für den Entwurf des Energiewandlers verwendet wird. Das vorgestellte dreidimensionale Modell berücksichtigt das nichtlineare Verhalten der magnetostriktiven und piezoelektrischen Materialien. Zusätzlich werden drei neuartige Wandler mit unterschiedlichen Magnetkreisen nach dem Lindstedt-Poincaré Verfahren konzipiert und analytisch analysiert. Die Auswirkungen der Strukturparameter, wie die nichtlinearen Magnetkräfte, die Magnetfeldverteilung und die Resonanzfrequenz, werden diskutiert und die elektrischen Ausgangsleistungen der drei ausgelegten Wandler ausgewertet. Um die mechanische und elektrische Kopplung zwischen der piezoelektrischen und der magnetostriktiven Schicht zu verbessern, wird eine bei Raumtemperatur prozessierbare Verbindungstechnik vorgeschlagen, bei der leitfähige Nanokomposite verwendet werden. Zwei magnetoelektrische Wandler werden basierend auf dieser Technik mit einer Konzentration von 1 wt.% und 2 wt.% an mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren in Epoxidharz hergestellt. Ein weiterer magnetoelektrischer Wandler wurde zu Vergleichszwecken mit einer klassischen Technik hergestellt. Für die Validierung des Entwurfes wird eine Reihe von Demonstratoren entsprechend den Simulations- und Optimierungsergebnissen konstruiert und gefertigt. Der vorgeschlagene Entwurf besteht aus einem Trägerbalken, einem Magnetkreis mit mehreren Magnetanordnungen und einem magnetoelektrischen Wandler, der aus einer piezoelektrischen PMNT-Platte besteht, die mit zwei magnetostriktiven Terfenol-D-Schichten verbunden ist. Bei dieser Konstruktion werden externe Schwingungen in Magnetfeldänderungen umgewandelt, die auf die magnetostriktiven Schichten wirken und zu Verformungen führen, die direkt auf die piezoelektrische Schicht übertragen werden. Die Wandler werden unter harmonischen Anregungen und mit realen Schwingungsprofilen getestet, die von einer künstlichen Schwingungsquelle reproduziert werden. Verschiedene Parameter wurden experimentell untersucht, darunter die magnetischen Kräfte zwischen dem Wandler und dem Magnetkreis sowie die verwendete Verbindungstechnik. Die Abstimmung der Resonanzfrequenz des ME-Wandlers erfolgt ebenfalls über ein einfaches Schrauben-Mutter-System, das es ermöglicht, die relative Position und damit die magnetischen Kräfte zwischen Magnetkreis und Wandler zu steuern. Der magnetoelektrische Wandler, der mit einer Konzentration von 2 wt.% mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbunden ist, zeigt bessere Ausgangsleistungen als die beiden anderen ME-Wandler bei ähnlichen Anregungen. Eine maximale Ausgangsleistung von 2,42 mW wird bei 1 mm angelegter Vibration bei 40 Hz erreicht. Diese Leistung stellt eine Verbesserung von mindestens 20 % im Vergleich zu anderen magnetoelektrischen Schwingungsumrichtern dar, welche mit einem einzigen ME-Wandler bei vergleichbaren Anregungen getestet werden.