Wireless sensor nodes for freight trains applications

Objective of the present thesis work is to present three different wireless sensor nodes working prototypes, with an energy harvesting system embedded, to be installed on freight trains with the purpose of performing monitoring operations, required for structural diagnosis of the mechanical system. The three sensor nodes use three different energy sources easily available on a moving train: Wind, Vibrations, Solar power. In the present research, I will particularly focus my attention on piezoelectric prototype, able to harvest power from vibrations of the train, that will be studied by means of two mathematical models, experimentally validated, focusing on problems related to: optimization of harvested power and fatigue behaviour of PZT (lead-zirconate titanite) material. Integrate circuit, able to convert the power scavenged by the harvesting systems into usable energy for the powering of the electronics for the acquisition, elaboration and wireless transmission of data, is analysed in terms of performances and consumptions. Finally, the design and realization of the three wireless sensor nodes is presented, together with some considerations on the pros and cons of each of them.

L’obiettivo di questa tesi è quello di presentare tre prototipi funzionanti di nodi sensoriali wireless, con un sistema per il recupero energetico incorporato, che andranno installati su treni merci al fine di eseguire operazioni di diagnostica dello stesso sistema meccanico. I tre nodi sensoriali utilizzano tre diverse fonti di energia facilmente accessibili su un treno in movimento: energia eolica, energia da vibrazioni, energia solare. Nella presente ricerca focalizzerò la mia attenzione particolarmente sul prototipo piezoelettrico, in grado di recuperare energia dalle vibrazioni del carro merci, che verrà analizzato tramite due modelli matematici, in seguito validati sperimentalmente, concentrandosi sui problemi legati a: ottimizzazione della potenza recuperata e comportamento del materiale PZT (Piombo-Zirconato di Titanio) sottoposto a cicli di fatica. Il circuito integrato, in grado di convertire la potenza recuperata dai diversi sistemi di recupero in energia utilizzabile per l’alimentazione del sistema di acquisizione, elaborazione e trasmissione wireless del dato, viene analizzato in termini di prestazioni e consumi. Infine viene presentata la progettazione e la realizzazione dei tre sistemi per il recupero energetico e il loro accoppiamento con la scheda elettronica mostrando una panoramica dei pro e dei contro presentati da ciascuno di essi.