СИГНАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ СЕНСОРНИХ ПРИСТРОЇВ ІЗ ФУНКЦІОНАЛЬНИМ ПОЄДНАННЯМ ФОТОВОЛЬТАЇЧНОГО ЖИВЛЕННЯ ТА ОПТИЧНОГО ЗВ’ЯЗКУ

Роман Голяка; M. Khilchuk; Ольга Шпур

Проаналізовано принципи функціонування сенсорних пристроїв з поєднанням фотовольтаїчного живлення та оптичного зв’язку. Функціонування таких пристроїв забезпечується модульованим світловим потоком. Інформативним сигналом, що формує сенсорний пристрій, є QR код. Формування QR коду здійснюється із використанням мікропотужних дисплеїв на основі технологій електронних чорнил e-Ink, а зчитування цього QR коду – фотокамерою смартфонв. Викладено результати розв’язання задач подальшого розвитку фотовольтаїчних сенсорних пристроїв з оптичним зв’язком, зокрема, аналізу та узагальнення принципів функціонування, модельних досліджень та прототипування сигнальних перетворювачів таких пристроїв. Проаналізовано приклади досліджень фотодіодного перетворювача із трансімпедансним підсиленням та гіраторним навантаженням. Подано макет сигнальних перетворювачів та приклади осцилограм, що отримують, виконуючи експериментальні дослідження розглянутих сигнальних перетворювачів фотовольтаїчних сенсорних пристроїв.

[1] R. Elhabyan, W. Shi and M. St-Hilaire, “Coverage protocols for wireless sensor networks: Review and future directions”, in Journal of Communications and Networks, Vol. 21, no. 1, pp. 45–60, Feb. 2019. DOI: 10.1109/JCN.2019.000005.

[2] J. Nelson et al., “Wireless Sensor Network with Mesh Topology for Carbon Dioxide Monitoring in a Winery”, 2021 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNeT), San Diego, CA, USA, 2021, pp. 30–33. DOI: 10.1109/WiSNeT51848.2021.9413797.

[3] V. Agarwal, R. A. DeCarlo and L. H. Tsoukalas, “Modeling Energy Consumption and Lifetime of a Wireless Sensor Node Operating on a Contention-Based MAC Protocol”, in IEEE Sensors Journal, Vol. 17, No. 16, pp. 5153–5168, 15 Aug.15, 2017. DOI: 10.1109/JSEN.2017.2722462.

[4] J. Chen, T. Li, T. Shu and C. W. De Silva, “Rapidly-Exploring Tree With Linear Reduction: A Near-Optimal Approach for Spatiotemporal Sensor Deployment in Aquatic Fields Using Minimal Sensor Nodes”, in IEEE Sensors Journal, Vol. 18, No. 24, pp. 10225–10239, 15 Dec.15, 2018. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2874393.

[5] E. Y. Song, G. J. FitzPatrick, K. B. Lee and E. Griffor, “A Methodology for Modeling Interoperability of Smart Sensors in Smart Grids”, in IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 13, No. 1, pp. 555–563, Jan. 2022. DOI: 10.1109/TSG.2021.3124490.

[6] J. Liu et al., “A Passive Optical Transmitter Using LC Switches for IoT Smart Dusts”, 2019 IEEE Canadian Conference of Electrical and Computer Engineering (CCECE), Edmonton, AB, Canada, 2019, pp. 1–4. DOI: 10.1109/CCECE.2019.8861513.

[7] A. Grimmer, W. Haselmayr and R. Wille, “Automated Dimensioning of Networked Labs-on-Chip”, in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, Vol. 38, No. 7, pp. 1216–1225, July 2019. DOI: 10.1109/TCAD.2018.2834402.

[8] K. Wang et al., “Evolution of Short-Range Optical Wireless Communications”, in Journal of Lightwave Technology, Vol. 41, No. 4, pp. 1019–1040, 15 Feb.15, 2023. DOI: 10.1109/JLT.2022.3215590.

[9] Y. Liu, Y. He, K. Chen and L. Guo, “Asynchronous Transmission for Cooperative Free-Space Optical Communication System”, in IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 11, No. 4, pp. 766–770, April 2022. DOI: 10.1109/LWC.2022.3143214.

[10] A. Memedi and F. Dressler, “Vehicular Visible Light Communications: A Survey”, in IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 23, No. 1, pp. 161–181, Firstquarter 2021. DOI: 10.1109/COMST.2020.3034224.

[11] S. Razzaq, N. Mubeen and F. Qamar, “Design and Analysis of Light Fidelity Network for Indoor Wireless Connectivity”, in IEEE Access, Vol. 9, pp. 145699–145709, 2021. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3119361.

[12] X. Li et al., “Data Fusion for Intelligent Crowd Monitoring and Management Systems: A Survey”, in IEEE Access, Vol. 9, pp. 47069–47083, 2021. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3060631.

[13] A. Sengupta, L. Cheng and S. Cao, “Robust Multiobject Tracking Using Mmwave Radar-Camera Sensor Fusion”, in IEEE Sensors Letters, Vol. 6, No. 10, pp. 1–4, Oct. 2022, Art no. 5501304. DOI: 10.1109/LSENS.2022.3213529.

[14] S. -S. Lin, M. -C. Hu, C. -H. Lee and T. -Y. Lee, “Efficient QR Code Beautification With High Quality Visual Content”, in IEEE Transactions on Multimedia, Vol. 17, No. 9, pp. 1515–1524, Sept. 2015. DOI: 10.1109/TMM.2015.2437711.

[15] H. Cao and A. C. Kot, “Lossless Data Embedding in Electronic Inks”, in IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Vol. 5, No. 2, pp. 314–323, June 2010. DOI: 10.1109/TIFS.2010.2046234.

[16] J. D. Downie, M. Li and S. Makovejs, “Optical fibers for flexible networks and systems”, in Journal of Optical Communications and Networking, Vol. 8, No. 7, pp. A1–A11, July 2016.

[17] F. Karabacak, H. Koc and A. Ceber, “A low power electronic sticker for vehicle identification system using proprietary active RFID wireless protocol”, 2013 International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE), Las Vegas, NV, USA, 2013, pp. 847–852. DOI: 10.1109/ICCVE.2013.6799913.

[18] J. Rezazadeh, R. Subramanian, K. Sandrasegaran, X. Kong, M. Moradi and F. Khodamoradi, “Novel iBeacon Placement for Indoor Positioning in IoT”, in IEEE Sensors Journal, Vol. 18, No. 24, pp. 10240–10247, 15 Dec.15, 2018. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2875037.

[19] T. Ruan, Z. J. Chew and M. Zhu, “Energy-Aware Approaches for Energy Harvesting Powered Wireless Sensor Nodes”, in IEEE Sensors Journal, Vol. 17, No. 7, pp. 2165–2173, 1 April1, 2017. DOI: 10.1109/JSEN.2017.2665680.

[20] P. Liu, X. Yu, J. Li and S. Li, “Energy Conversion Efficiency of Electromagnetic Launcher With Capacitor-Based Pulsed Power System”, in IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 41, No. 5, pp. 1295–1299, May 2013. DOI: 10.1109/TPS.2013.2251367.

[21] S. -H. Jo, H.-W. Cho and H.-J. Yoo, “A Fully Reconfigurable Universal Sensor Analog Front-End IC for the Internet of Things Era”, in IEEE Sensors Journal, Vol. 19, No. 7, pp. 2621–2633, 1 April1, 2019. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2890211.

[22] H. Radner, J. Stange, L. Büttner and J. Czarske, “Field-Programmable System-on-Chip-Based Control System for Real-Time Distortion Correction in Optical Imaging”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 68, No. 4, pp. 3370–3379, April 2021. DOI: 10.1109/TIE.2020.2979557.

[23] M. Machnoor and G. Lazzi, “Wireless Power Transfer: Types of Reflected Impedances and Maximum Power Transfer Theorem”, in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 19, No. 10, pp. 1709–1713, Oct. 2020. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3014357.

[24] H. Zhang, N. Shlezinger, F. Guidi, D. Dardari, M. F. Imani and Y. C. Eldar, “Beam Focusing for Near-Field Multiuser MIMO Communications”, in IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 21, No. 9, pp. 7476–7490, Sept. 2022. DOI: 10.1109/TWC.2022.3158894.

[25] 25 X. Ma, S. Bader and B. Oelmann, “Power Estimation for Indoor Light Energy Harvesting Systems”, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 69, No. 10, pp. 7513–7521, Oct. 2020. DOI: 10.1109/TIM.2020.2984145.

[26] Hua Yu, Qiuqin Yue, “Indoor Light Energy Harvesting System for Energy-aware Wireless Sensor Node”, Energy Procedia, Vol. 16, Part B, 2012, pp. 1027–1032. doi.org/10.1016/j.egypro.2012.01.164.

[27] G. Dziallas, A. Fatemi, A. Malignaggi and G. Kahmen, “A 97-GHz 66-dBΩ SiGe BiCMOS Low-Noise Transimpedance Amplifier for Optical Receivers”, in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 31, No. 12, pp. 1295–1298, Dec. 2021. DOI: 10.1109/LMWC.2021.3103106.

[28] Барило Г. І., Гельжинський І. І., Марусенкова Т. А., Кривенчук Ю. П., Хільчук М. О., Голяка Р. Л., Оксана Бойко. Апаратно-програмна вбудована система частотної селекції сигналу на основі гіратора // Вимірювальна техніка та метрологія. Вип. 82, № 1, 2021. С. 37–42. https://doi.org/10.23939/ istcmtm2021.01.037

[29] Roman Holyaka, Gryhoriy Barylo, Tetyana Marusenkova, Mykola Khilchuk, Oksana Boyko. Programmable Mixed Signal Front-End for Sensor Applications // IEEE 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). Lviv. 2022. DOI: 10.1109/TCSET55632.2022.9766863. (Scopus)

[30] Grygoriy I. Barylo, Oksana V. Boyko, Ihor I. Gelzynskyy, Roman L. Holyaka, Zenon Y. Hotra, Oleksandra Z. Hotra, Tetyana A. Marusenkova, and Mykola O. Khilchuk. Software complex for optoelectronic-electronic components and sensors research. Proc. SPIE 12126, Fifteenth International Conference on Correlation Optics, 121262K (20 December 2021). https://doi.org/10.1117/12.2617390

[31] Барило Г. І., Голяка Р. Л., Готра З. Ю. Сигнальні перетворювачі мікроелектронних сенсорів імпедансного типу: колективна монографія. Львів: Ліга-прес, 2017. 182 с.