On the Trade-Offs Between Energy Harvesting & Wireless Communications for Stand-Alone IoT Devices

Resumen

The proliferation of the Internet of Things has driven significant advancements in energy harvesting and wireless communications, enabling the deployment of autonomous devices in diverse, resource-constrained environments. This thesis investigates the trade-offs between energy harvesting techniques and IoT wireless communication protocols to design stand-alone IoT devices capable of sustained operation without human intervention.

By addressing critical gaps, a systematic framework to evaluate and integrate energy harvesting systems with low-power communication technologies is established. This matter requires a tailored configuration of the whole IoT system for the specific use case, do that a virtually infinite operation without intervention be feasible.

The research adopts a multi-phase methodology encompassing analysis of energy harvesting techniques, energy requirements of IoT protocols, use cases requisites evaluation, and the development of a universal testbed to verify results, evaluating latency, error rate and stability across various protocols and hardware platforms. offering

Outcomes demonstrate the feasibility of developing self-powered IoT networks in a variety of scenarios, ranging from remote environmental monitoring to industrial automation, what leverages significant improvements in maintenance, operational costs, sustainability and scalability.

Key findings reveal that the synergy between energy harvesting and protocol optimization enhances energy efficiency, ease of deployment, scalability and reliability. Thus, this thesis aims to help pave the way for elevating the connected society.

RESUMEN

El crecimiento del Internet de las Cosas (IoT) ha impulsado avances significativos en energy harvesting y las comunicaciones inalámbricas, permitiendo el despliegue de dispositivos autónomos en entornos diversos y con recursos limitados. Esta Tesis investiga los compromisos entre las técnicas de energy harvesting y los protocolos de comunicación inalámbrica para IoT, de forma que se puedan diseñar dispositivos autónomos capaces de operar de forma sostenida sin intervención humana.

Se establece un marco sistemático para evaluar e integrar sistemas de energy harvesting con tecnologías de comunicación de bajo consumo. Este enfoque requiere una configuración adaptada de todo el sistema IoT según el caso de uso específico, haciendo posible una operación virtualmente infinita en el tiempo sin intervención.

La investigación adopta una metodología en varias fases que incluye el análisis de técnicas de energy harvesting, los requerimientos energéticos de los protocolos IoT, la evaluación de los requisitos del caso de uso y el desarrollo de un banco de pruebas universal para verificar los resultados, evaluando latencia, tasa de error y la estabilidad en diversos protocolos y plataformas de hardware.

Los resultados demuestran la viabilidad de desarrollar redes IoT autosuficientes en una variedad de escenarios, desde el monitoreo ambiental en ubicaciones remotas hasta la automatización industrial, logrando mejoras significativas en mantenimiento, costos operativos, sostenibilidad y escalabilidad.

Los hallazgos clave revelan que la sinergia entre el energy harvesting y la optimización de protocolos mejora la eficiencia energética, la facilidad de despliegue, la escalabilidad y la confiabilidad. Con ello, esta Tesis busca contribuir al avance sostenible y eficaz hacia una sociedad más conectada.