Diffuse energy utilization and power management for autonomous cyber-physical microsystems

Abstract

Autonomous cyber-physical microsystems (µCPS) promise long-horizon sensing, inference, and actuation with minimal maintenance, yet their feasibility is governed less by average harvested power than by the dynamics and losses of the power path and by bursty, deadline-driven workloads observed through sparse telemetry. This thesis develops a principled framework that converts diffuse environmental energy into predictable service. First, it introduces macroscopic, loss-aware models that map incident source flux to usable electrical power through realistic conversion, storage, and protection, explicitly accounting for cold-start energy, quiescent drains, leakage, equivalent series resistance, and undervoltage hysteresis. These models define mission-level autonomy metrics—energy neutrality over a horizon and survivability within protection bounds—that guide both design and evaluation. Second, it presents DREAM (Dynamic Rest & Energy-Aware Management), a runtime that uses low-cost observables (primarily storage-voltage trajectories and discrete protection events) to orchestrate rest, energy aggregation, and execution of high-crest-factor tasks (sensing, computation, communication) so that deadlines are met without inducing brownouts. Third, it proposes a trace-driven sizing methodology that selects harvester technology/area, storage type/capacity, and converter modes to meet mission-level energy and service constraints over stated horizons with quantifiable confidence under realistic temporal variability in sources and networks. Validation across representative case studies demonstrates sustained service with materially fewer brownouts and improved predictability versus battery-only baselines and controllers that optimize average power without explicit deliverability or protection modeling. The results provide designers with a credible path from environmental energy fluxes to system-level performance guarantees for maintainable, sustainable, and trustworthy µCPS.

Τα αυτόνομα κυβερνοφυσικά μικροσυστήματα (µCPS) υπόσχονται ανίχνευση, συμπερασμό και ενεργοποίηση μακροπρόθεσμα με ελάχιστη συντήρηση, ωστόσο η σκοπιμότητά τους εξαρτάται λιγότερο από τη μέση παραγόμενη ισχύ και περισσότερο από τη δυναμική και τις απώλειες της διαδρομής ισχύος και από τα διαλείποντα, καθορισμένα από προθεσμίες φορτία εργασίας που παρατηρούνται μέσω αραιής τηλεμετρίας. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσει ένα θεμελιώδες πλαίσιο που μετατρέπει τη διάχυτη ενέργεια του περιβάλλοντος σε προβλέψιμη υπηρεσία. Πρώτον, εισάγει μακροσκοπικά μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη τις απώλειες και χαρτογραφούν τη ροή της πηγής που προσπίπτει σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια μέσω ρεαλιστικής μετατροπής, αποθήκευσης και προστασίας, λαμβάνοντας ρητά υπόψη την ενέργεια ψυχρής εκκίνησης, τις αδρανείς διαρροές, τη διαρροή, την ισοδύναμη σειριακή αντίσταση και την υστέρηση υποτάσης. Αυτά τα μοντέλα ορίζουν μετρήσεις αυτονομίας σε επίπεδο αποστολής — ενεργειακή ουδετερότητα σε ένα ορίζοντα και επιβιωσιμότητα εντός των ορίων προστασίας — που καθοδηγούν τόσο το σχεδιασμό όσο και την αξιολόγηση. Δεύτερον, παρουσιάζει το DREAM (Dynamic Rest & Energy-Aware Management), ένα περιβάλλον εκτέλεσης που χρησιμοποιεί παρατηρήσιμα στοιχεία χαμηλού κόστους (κυρίως τροχιές τάσης αποθήκευσης και διακριτά συμβάντα προστασίας) για να συντονίζει την ανάπαυση, τη συγκέντρωση ενέργειας και την εκτέλεση εργασιών υψηλού συντελεστή κορυφής (ανίχνευση, υπολογισμός, επικοινωνία), έτσι ώστε να τηρούνται οι προθεσμίες χωρίς να προκαλούνται πτώσεις τάσης. Τρίτον, προτείνει μια μεθοδολογία διαστασιολόγησης βάσει ιχνών που επιλέγει την τεχνολογία/περιοχή συγκομιδής, τον τύπο/χωρητικότητα αποθήκευσης και τους τρόπους μετατροπής, ώστε να πληροί τους περιορισμούς ενέργειας και υπηρεσιών σε επίπεδο αποστολής σε καθορισμένους ορίζοντες με ποσοτικοποιήσιμη αξιοπιστία υπό ρεαλιστικές χρονικές διακυμάνσεις στις πηγές και τα δίκτυα. Η επικύρωση σε αντιπροσωπευτικές μελέτες περιπτώσεων καταδεικνύει τη διατήρηση της υπηρεσίας με σημαντικά λιγότερες διακοπές ρεύματος και βελτιωμένη προβλεψιμότητα σε σύγκριση με τις βασικές γραμμές που βασίζονται αποκλειστικά σε μπαταρίες και τους ελεγκτές που βελτιστοποιούν τη μέση ισχύ χωρίς ρητή μοντελοποίηση της δυνατότητας παράδοσης ή της προστασίας. Τα αποτελέσματα παρέχουν στους σχεδιαστές μια αξιόπιστη διαδρομή από τις ροές ενέργειας του περιβάλλοντος έως τις εγγυήσεις απόδοσης σε επίπεδο συστήματος για διατηρήσιμα, βιώσιμα και αξιόπιστα µCPS.