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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30227| Título: | Sistemas de transferência de energia sem fio e de comunicação bluetooth para dispositivos implantáveis de aquisição de sinais |
| Título(s) alternativo(s): | Wireless power transmitter and bluetooth communication systems for implantable signal acquisition devices |
| Autor(es): | Magnaguagno, Jeferson |
| Orientador(es): | Bertotti, Fabio Luiz |
| Palavras-chave: | Sistemas de comunicação sem fio Redes locais sem fio Energia - Transferência Baterias elétricas Tecnologia bluetooth Wireless communication systems Wireless LANs Energy transfer Electric batteries Bluetooth technology |
| Data do documento: | 3-Nov-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Pato Branco |
| Citação: | MAGNAGUAGNO, Jeferson. Sistemas de transferência de energia sem fio e de comunicação bluetooth para dispositivos implantáveis de aquisição de sinais. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2022. |
| Resumo: | Os sistemas de transferência de energia sem fio são comumente encontrados em soluções de carregamento de baterias para dispositivos eletrônicos, como smartphones e tablets. Na medicina, são aplicados em sistemas de biotelemetria com unidades implantáveis ou cápsulas ingeríveis. Apesar da extensa aplicação de enlaces com duas ou mais bobinas, poucos estudos consideram o uso de enlaces com bobinas de Helmholtz para aplicação em cápsulas. Tipicamente, a transferência de dados entre uma cápsula e um dispositivo externo de leitura pode ocorrer no próprio enlace indutivo, aplicando-se técnicas de modulação digital, ou requerer um sistema de comunicação por RF específico. Para minimizar o tamanho da cápsula, em ambos os casos, a implementação pode exigir o desenvolvimento e fabricação de um microchip com todos os circuitos. No entanto, tendo em vista o custo elevado da fabricação de microchips em pequena escala, outras soluções podem se tornar interessantes, como o uso de pequenos microcontroladores com a tecnologia de comunicação Bluetooth Low Energy (BLE) embutida. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do protótipo de uma cápsula de monitoramento com enlace indutivo formado por cinco bobinas, sendo duas de Helmholtz acopladas a um conjunto de três bobinas do tipo 3D na cápsula, e um módulo com microcontrolador implementando a tecnologia de comunicação BLE. Além disso, um amplificador classe E, operando na condição de zero de tensão na chave, foi desenvolvido para fornecer energia ao enlace. Experimentos foram realizados para avaliar a energia recebida na cápsula e a eficiência, considerando uma distância de separação, entre a bobina transmissora e conjunto de bobinas 3D da cápsula, variando de 0 a 240 mm. Como resultado, a energia máxima recebida na cápsula foi de 662,2 mW para a distância de 0 mm, enquanto a eficiência atingiu 3,31 %. Com a distância de 240 mm ainda foi possível manter a regulação de 3,3 VDC no microcontrolador, resultando em uma potência de 103,2 mW com eficiência aproximada de 0,5 %, mesmo com mudanças na orientação do conjunto de bobinas 3D. O uso da tecnologia BLE possibilitou a transferência de dados para um smartphone a uma frequência de amostragem de 4 Hz, compatível com o monitoramento de parâmetros como temperatura e pH estomacal. |
| Abstract: | Wireless power transfer systems are commonly found in battery charging solutions for electronic devices such as smartphones and tablets. In medicine, they are essential in providing energy to implantable units or ingestible capsules. Inductive links with two or more coupled coils were widely used in energy transfer, but few studies consider the use of Helmholtz coils in monitoring capsules. Typically, data transfer between a capsule and an external reading device can occur through the inductive link, applying digital modulation techniques, or requiring a specific RF communication system. In both cases, the minimization of the capsule size may require the development of a microchip. However, given the high cost of manufacturing microchips on a small scale, other solutions may become feasible, such as using small microcontrollers with the built-in Bluetooth communication technology. This work presents the development of a prototype of a monitoring capsule with an inductive link formed by five coils, two of which are Helmholtz coils coupled to a set of three 3D-type coils in the capsule, and a module with a microcontroller implementing the Bluetooth Low Energy communication technology. In addition, a class E amplifier was developed to supply power to the link. Experiments were carried out to evaluate the energy received in the capsule and the efficiency, considering a separation distance between the transmitter coil and the capsule’s 3D coil set, ranging from 0 to 240 mm. As a result, the maximum power received in the capsule was 662.2 mW for the distance of 0 mm, while the efficiency reached 3.31 %. Up to 240 mm it was still possible to maintain the regulation of 3.3 VDC for the microcontroller, resulting in a power of 103.2 mW and an efficiency of approximately 0.5 %, even with changes in the orientation of the 3D coil set. The use of BLE technology made it possible to transfer data to a smartphone at a sampling frequency of 4 Hz, compatible with monitoring parameters such as temperature and stomach pH. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30227 |
| Aparece nas coleções: | PB - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
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