CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

This book discusses in detail the CMOS implementation of energy harvesting. The authors describe an integrated, indoor light energy harvesting system, based on a controller circuit that dynamically and automatically adjusts its operation to meet the actual light circumstances of the environment where the system is placed. The system is intended to power a sensor node, enabling an autonomous wireless sensor network (WSN). Although designed to cope with indoor light levels, the system is also able to work with higher levels, making it an all-round light energy harvesting system. The discussion includes experimental data obtained from an integrated manufactured prototype, which in conjunction with a photovoltaic (PV) cell, serves as a proof of concept of the desired energy harvesting system. © 2016 Springer International Publishing. All rights are reserved.

A Review of antenas for indoor positioning systems

This paper provides a review of antennas applied for indoor positioning or localization systems. The desired requirements of those antennas when integrated in anchor nodes (reference nodes) are discussed, according to different localization techniques and their performance. The described antennas will be subdivided into the following sections according to the nature of measurements: received signal strength (RSS), time of flight (ToF), and direction of arrival (DoA). This paper intends to provide a useful guide for antenna designers who are interested in developing suitable antennas for indoor localization systems.

Energy evaporation: the new concept of indoor systems for WPT and EH embedded into the floor

This work introduces a novel idea for wireless energy transfer, proposing for the first time the unit-cell of an indoor localization and RF harvesting system embedded into the floor. The unit-cell is composed by a 5.8 GHz patch antenna surrounded by a 13.56 MHz coil. The coil locates a device and activate the patch which, connected to a power grid, radiates to wirelessly charge the localized device. The HF and RF circuits co-existence and functionality are demonstrated in this paper, the novelty of which is also in the adoption of low cost and most of all ecofriendly materials, such as wood and cork, as substrates for electronics.

Prevalence of fungi in indoor air with reference to gymnasiums with swimming pools

Fungal contamination of air in 10 gymnasiums with swimming pools was monitored. Fifty air samples of 200 L each were collected, using a Millipore air tester, from the area surrounding the pool, in training studios, in showers and changing rooms for both sexes, and also, outside premises, since these are the places regarded as reference. Simultaneously, environmental parameters – temperature and humidity – were also monitored. Some 25 different species of fungi were identified. The six most commonly isolated genera were the following: Cladosporium sp. (36.6%), Penicillium sp. (19.0%), Aspergillus sp. (10.2%), Mucor sp. (7%), Phoma sp. and Chrysonilia sp. (3.3%). For yeasts, three different genera were identified, namely, Rhodotorula sp. (70%), Trichosporon mucoides and Cryptococcus uniguttulattus (10%).

Formaldehyde in indoor air: a public health problem?

Formaldehyde was the first air pollutant, which already in the 1970s emerged as a specifically non-industrial indoor air quality problem. Yet formaldehyde remained an indoor air quality issue and the formaldehyde level in residential indoor air is among the highest of any indoor air contaminant. Formaldehyde concentrations in 4 different indoor settings (schools, office buildings, new dwellings and occupied dwellings) in Portugal were measured using Photo Ionization Detection (PID) equipment (11,7 eV lamps). All the settings presented results higher than the reference value proposed by Portuguese legislation. Furthermore, occupied dwellings showed 3 units with results above the reference. We could conclude that formaldehyde presence is a reality in monitored indoor settings. Concentration levels are higher than the Portuguese reference value for indoor settings and these can indicate health problems for occupants.

WPAC: wireless payment and access control: dispositivos móveis no pagamento de serviços e controlo de acessos

A rápida evolução dos dispositivos móveis e das tecnologias de comunicação sem fios transformou o telemóvel num poderoso dispositivo de computação móvel. A necessidade de estar sempre contactável, comum à civilização moderna, tem aumentado a dependência deste dispositivo, sendo transportado pela maioria das pessoas num ambiente urbano e assumindo um papel talvez mais importante que a própria carteira. A ubiquidade e capacidade de computação dos telemóveis aumentam o interesse no desenvolvimento de serviços móveis, além de tradicionais serviços de voz. Um telemóvel pode em breve tornar-se um elemento activo nas nossas tarefas diárias, servindo como um instrumento de pagamento e controlo de acessos, proporcionando assim novas interfaces para serviços existentes. A unificação de vários serviços num único dispositivo é um desafio que pode simplificar a nossa rotina diária e aumentar o conforto, no limite deixaremos de necessitar de dinheiro físico, cartões de crédito ou débito, chaves de residência e de veículos automóveis, ou inclusive documentos de identificação como bilhetes de identidade ou passaportes. O interesse demonstrado pelos intervenientes, desde os fabricantes de telemóveis e operadores de rede móvel até às instituições financeiras, levaram ao aparecimento de múltiplas soluções de serviços móveis. Porém estas soluções respondem geralmente a problemas específicos, apenas contemplando um fornecedor de serviços ou uma determinada operação de pagamento, como seja a compra de bilhetes ou pagamento de estacionamento. Estas soluções emergentes consistem também tipicamente em especificações fechadas e protocolos proprietários. A definição de uma arquitectura genérica, aberta interoperável e extensível é necessária para que os serviços móveis possam ser adoptados de uma forma generalizada por diferentes fornecedores de serviços e para diversos tipos de pagamento. A maior parte das soluções actuais de pagamento móvel depende de comunicações através da rede móvel, algumas utilizam o telemóvel apenas como uma interface de acesso à internet enquanto outras possibilitam o envio de um SMS (Short Message Service) para autorizar uma transacção, o que implica custos de comunicação em todas as operações de pagamento. Este custo de operação torna essas soluções inadequadas para a realização de micropagamentos e podem por isso ter uma aceitação limitada por parte dos clientes. As soluções existentes focam-se maioritariamente em pagamentos à distância, não tirando partido das características do pagamento presencial e não oferecendo por isso uma verdadeira alternativa ao modelo actual de pagamento com cartões de crédito/débito. As capacidades computacionais dos telemóveis e suporte de diversos protocolos de comunicação sem fio local não têm sido aproveitadas, vendo o telemóvel apenas como um terminal GSM (Global System for Mobile Communications) e não oferecendo serviços adicionais como seja a avaliação dinâmica de risco ou controlo de despesas. Esta dissertação propõe e valida, através de um demonstrador, uma aquitectua aberta para o pagamento e controlo de acesso baseado em dispositivos móveis, intitulada WPAC (Wireless Payment and Access Control). Para chegar à solução apresentada foram estudadas outras soluções de pagamento, desde o aparecimento dos cartões de débito até a era de pagamentos electrónicos móveis, passando pelas soluções de pagamento através da internet. As capacidades dos dispositivos móveis, designadamente os telemóveis, e tecnologias de comunicação sem fios foram também analisadas a fim de determinar o estado tecnológico actual. A arquitectura WPAC utiliza padrões de desenho utilizados pela indústria em soluções de sucesso, a utilização de padrões testados e a reutilização de soluções com provas dadas permite aumentar a confiança nesta solução, um destes exemplos é a utilização de uma infra-estrutura de chave pública para o estabelecimento de um canal de comunicação seguro. Esta especificação é uma arquitectura orientada aos serviços que utiliza os Web Services para a definição do contracto do serviço de pagamento. A viabilidade da solução na orquestração de um conjunto de tecnologias e a prova de conceito de novas abordagens é alcançada com a construção de um protótipo e a realização de testes. A arquitectura WPAC possibilita a realização de pagamentos móveis presenciais, isto é, junto do fornecedor de bens ou serviços, seguindo o modelo de pagamento com cartões de crédito/débito no que diz respeito aos intervenientes e relações entre eles. Esta especificação inclui como aspecto inovador a avaliação dinâmica de risco, que utiliza o valor do pagamento, a existência de pagamentos frequentes num período curto de tempo, e a data, hora e local do pagamento como factores de risco; solicitando ao cliente o conjunto de credenciais adequado ao risco avaliado, desde códigos pessoais a dados biométricos. É também apresentada uma alternativa ao processo normal de pagamento, que apesar de menos cómoda permite efectuar pagamentos quando não é possível estabelecer um canal de comunicação sem fios, aumentando assim a tolerância a falhas. Esta solução não implica custos de operação para o cliente na comunicação com o ponto de venda do comerciante, que é realizada através de tecnologias de comunicação local sem fios, pode ser necessária a comunicação através da rede móvel com o emissor do agente de pagamento para a actualização do agente de software ou de dados de segurança, mas essas transmissões são ocasionais. O modelo de segurança recorre a certificados para autenticação dos intervenientes e a uma infra-estrutura de chave pública para cifra e assinatura de mensagens. Os dados de segurança incluídos no agente de software móvel, para desabilitar a cópia ou corrupção da aplicação mas também para a comparação com as credenciais inseridas pelo cliente, devem igualmente ser encriptados e assinados de forma a garantir a sua confidencialidade e integridade. A arquitectura de pagamento utiliza o standard de Web Services, que é amplamente conhecido, aberto e interoperável, para definição do serviço de pagamento. Existem extensões à especificação de Web Services relativas à segurança que permitem trocar itens de segurança e definem o modo de cifra e assinatura de mensagens, possibilitando assim a sua utilização em aplicações que necessitem de segurança como é o caso de serviços de pagamento e controlo de acesso. O contracto de um Web Service define o modo de invocação dos serviços, transmissão de informação e representação de dados, sendo normalmente utilizado o protocolo SOAP que na prática não é mais que um protocolo de troca de mansagens XML (eXtensible Markup Language). O envio e recepção de mensagens XML; ou seja, a transmissão de simples sequências de caracteres, é suportado pela maioria dos protocolos de comunicação, sendo portanto uma solução abrangente que permite a adopção de diversas tecnologias de comunicação sem fios. O protótipo inclui um agente de software móvel, implementado sobre a forma de uma MIDlet, aplicação Java para dispositivos móveis, que implementa o protocolo de pagamento comunicando sobre uma ligação Bluetooth com o ponto de venda do comerciante, simulado por uma aplicação desenvolvida sobre a plataforma .NET e que por isso faz prova da heterogeneidade da solução. A comunicação entre o comerciante e o seu banco para autorização do pagamento e transferência monetária utiliza o protocolo existente para a autorização de pagamentos, com base em cartões de crédito/débito. A definição desta especificação aberta e genérica em conjunto com o forte interesse demonstrado pelos intervenientes, proporciona uma boa perspectiva em termos de adopção da solução, o que pode impulsionar a implementação de serviços móveis e dessa forma simplificar as rotinas diárias das pessoas. Soluções móveis de pagamento reduzem a necessidade de transportar vários cartões de crédito/débito na nossa carteira. A avaliação dinâmica de risco permite aumentar a segurança dos pagamentos, com a solicitação de mais credenciais ao cliente para pagamentos com um maior risco associado, sendo um ponto importante quer para os clientes quer para as instituições financeiras pois diminui o risco de fraude e aumenta a confiança no sistema. Esta solução de pagamento electrónico pode também facilitar a consulta de pagamentos efectuados e saldos, mantendo um histórico dos movimentos, o que não é possível nos cartões de crédito/débito sem uma visita a uma ATM (Automated Teller Machine) ou utilização de homebanking.

Lichens as biomonitors at indoor environments of primary schools

A biomonitoring study, using transplanted lichens Flavoparmelia caperata, was conducted to assess the indoor air quality in primary schools in urban (Lisbon) and rural (Ponte de Sor) Portuguese sites. The lichens exposure period occurred between April and June 2010 and two types of environments of the primary schools were studied: classrooms and outdoor/courtyard. Afterwards, the lichen samples were processed and analyzed by instrumental neutron activation analysis (INAA) to assess a total of 20 chemical elements. Accumulated elements in the exposed lichens were assessed and enrichment factors (EF) were determined. Indoor and outdoor biomonitoring results were compared to evaluate how biomonitors (as lichens) react at indoor environments and to assess the type of pollutants that are prevalent in those environments.

Indoor school environment: easy and low cost to assess inorganic pollutants

Total particulate matter (TPM) was passively collected inside two classrooms of each of five elementary schools in Lisbon, Portugal. TPM was collected in polycarbonate filters with a 47 mm diameter, placed inside of uncovered plastic petri dishes. The sampling period was from 19 May to 22 June 2009 (35 days exposure) and the collected TPM masses varied between 0.2 mg and 0.8 mg. The major elements were Ca, Fe, Na, K, and Zn at μg level, while others were at ng level. Pearson′s correlation coefficients above 0.75 (a high degree of correlation) were found between several elements. Soil-related, traffic soil re-suspension and anthropogenic emission sources could be identified. Blackboard chalk was also identified through Ca large presence. Some of the determined chemical elements are potential carcinogenic. Quality control of the results showed good agreement as confirmed by the application of u-score test.

Indoor air quality in primary schools

Clean air is a basic requirement of life. The Indoor Air Quality (IAQ) has been the object of several studies due to an increasing concern within the scientific community on the effects of indoor air quality upon health, especially as people tend to spend more time indoors than outdoors. The quality of air inside homes, offices, schools or other private and public buildings is an essential determinant of healthy life and people’s well-being. People can be exposed to contaminants by inhalation, ingestion and dermal contact. In the past, scientists have paid much attention to the study of exposure to outdoor air contaminants, because they have realised the seriousness of outdoor air pollution problems. However, each indoor microenvironment has unique characteristics, determined by the local outdoor air, specific building characteristics and indoor activities. Indeed, hazardous substances are emitted from buildings, construction materials and indoor equipment or due to human activities indoors.

Desenvolvimento de metodologia e projecto de sistemas de 4ª geração móvel num ambiente indoor e outdoor

As redes de telecomunicações nos últimos anos têm sofrido um grande desenvolvimento a nível tecnológico. A prova disso é a revolução das redes sem fios, iniciada com a tecnologia GSM (Global System Mobile) nos anos 90, na qual eram apenas disponibilizados serviços de voz. Esta tendência continuou com o GPRS (General Packet Radio Service) onde se iniciaram os serviços de dados surgindo assim mais tarde, a tecnologia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Com o aparecimento da nova tecnologia LTE (Long-Term Evolution), surgiu um novo paradigma consumista no mercado, facto que gerou um conflicto directo com as redes de banda larga (ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line) fornecidas anteriormente apenas pela rede fixa. A partir deste momento, estas duas tecnologias passaram a oferecer altos débitos de dados, eliminando assim esta diferenciação existente até então entre ambas. Esta foi a plataforma que despoletou o meu interesse em explorar a tecnologia LTE, mais precisamente, o planeamento de rádio em ambientes Indoor e Outdoor. Este planeamento requeria uma comparação prática e teórica, de forma a observar que a tecnologia reflectia os valores estipulados na norma LTE. Como método de comparação foi utilizada uma ferramenta de planeamento de redes móveis, gentilmente disponibilizada pela Alcatel-Lucent para o tipo de ambiente outdoor em estudo, para o indoor não foi efectuado simulação, por indisponibilidade da ferramenta. Após a configuração do sistema de rádio foi efectuada a recolha de dados no terreno através de drive-testes. Findo esta fase, procedeu-se ao pós-processamento e análise dos dados recolhidos, por forma a ser possível estabelecer a comparação entre o planeamento teórico efectuado através da ferramenta de planeamento e os dados capturados no terreno. Os resultados obtidos demonstram que a cobertura preconizada no caso Outdoor estavam de acordo com o planeamento efectuado, uma vez que os dados medidos no terreno coincidiram com os valores simulados, apenas com um desvio mínimo dentro da margem de tolerância. No que respeita ao indoor verificou-se que as medidas estavam de acordo com o estipulado na norma. Como conclusão, confirmou-se a validade das ferramentas e da metodologia utilizada.

Comparison of indoor and outdoor fungi and particles in poultry units

A descriptive study was developed in order to compare indoor and outdoor air contamination caused by fungi and particles in seven poultry units. Twenty eight air samples of 25 litters were collected through the impaction method on malt extract agar. Air sampling and particles concentration measurement were done in the interior and also outside premises of the poultries’ pavilions. Regarding the fungal load in the air, indoor concentration of mold was higher than outside air in six poultry units. Twenty eight species / genera of fungi were identified indoor, being Scopulariopsis brevicaulis (40.5%) the most commonly isolated species and Rhizopus sp. (30.0%) the most commonly isolated genus. Concerning outdoor, eighteen species/genera of fungi were isolated, being Scopulariopsis brevicaulis (62.6%) also the most isolated. All the poultry farms analyzed presented indoor fungi different from the ones identified outdoors. Regarding particles’ contamination, PM2.5, PM5.0 and PM10 had a statistically significant difference (Mann-Whitney U test) between the inside and outside of the pavilions, with the inside more contaminated (p=.006; p=.005; p=.005, respectively). The analyzed poultry units are potential reservoirs of substantial amounts of fungi and particles and could therefore free them in the atmospheric air. The developed study showed that indoor air was more contaminated than outdoors, and this can result in emission of potentially pathogenic fungi and particles via aerosols from poultry units to the environment, which may post a considerable risk to public health and contribute to environmental pollution.

Indoor air quality in Portuguese archives: a snapshot on exposure levels

Indoor air quality recently entered legislation in Portugal. Several parameters must be evaluated and kept within limits in order to obtain a certification for air quality and energy consumption. Certification parameters were analyzed in two Portuguese archives in order to assess indoor air quality both for people attending or working on these premises and for maintenance of a written heritage that must be retained for future generations. Carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2), formaldehyde, and fungal counts were kept within stipulated limits. Relative humidity (RH), volatile organic compounds (VOC), particulate matter (PM10), and ozone (O3) showed values above legislated levels and justified the implementation of corrective measures. In terms of conservation, studies on the limit values are still needed, but according to the available international guidelines, some of the analyzed parameters such as PM10, O3, and RH were also above desirable values. Corrective measures were proposed to these institutions. Although this study was only of a short duration, it proved valuable in assessing potential eventual problems and constitutes the first Portuguese indoor air quality assessment taking into consideration both aspects of an archive such as human health and heritage safekeeping.

Performance of microstrip antennas in the presence of EBG in an indoor localization system

Indoor localization systems in nowadays is a huge area of interest not only at academic but also at industry and commercial level. The correct location in these systems is strongly influenced by antennas performance which can provide several gains, bandwidths, polarizations and radiation patterns, due to large variety of antennas types and formats. This paper presents the design, manufacture and measurement of a compact microstrip antenna, for a 2.4 GHZ frequency band, enhanced with the use of Electromagnetic Band-Gap (EBG) structures, which improve the electromagnetic behavior of the conventional antennas. The microstrip antenna with an EBG structure integrated allows an improvement of the location system performance in about 25% to 30% relatively to a conventional microstrip antenna.

A Voltage Limiter Circuit for Indoor Light Energy Harvesting Applications

A voltage limiter circuit for indoor light energy harvesting applications is presented. This circuit is a part of a bigger system, whose function is to harvest indoor light energy, process it and store it, so that it can be used at a later time. This processing consists on maximum power point tracking (MPPT) and stepping-up, of the voltage from the photovoltaic (PV) harvester cell. The circuit here described, ensures that even under strong illumination, the generated voltage will not exceed the limit allowed by the technology, avoiding the degradation, or destruction, of the integrated die. A prototype of the limiter circuit was designed in a 130 nm CMOS technology. The layout of the circuit has a total area of 23414 mu m(2). Simulation results, using Spectre, are presented.

Start-up circuit for low-power indoor light energy harvesting applications

A start-up circuit, used in a micro-power indoor light energy harvesting system, is described. This start-up circuit achieves two goals: first, to produce a reset signal, power-on-reset (POR), for the energy harvesting system, and secondly, to temporarily shunt the output of the photovoltaic (PV) cells, to the output node of the system, which is connected to a capacitor. This capacitor is charged to a suitable value, so that a voltage step-up converter starts operating, thus increasing the output voltage to a larger value than the one provided by the PV cells. A prototype of the circuit was manufactured in a 130 nm CMOS technology, occupying an area of only 0.019 mm(2). Experimental results demonstrate the correct operation of the circuit, being able to correctly start-up the system, even when having an input as low as 390 mV using, in this case, an estimated energy of only 5.3 pJ to produce the start-up.