Analisi delle prestazioni energetiche e ottimizzazione dei sistemi di Power Management in dispositivi IoT per l'Agricoltura 4.0

For Agriculture 4.0, it is essential to integrate specific sensors to analyze parameters such as humidity, pH, and temperature. These sensors must operate within micro-zones, a requirement for which Wireless Sensor Networks (WSNs) are widely utilized. Based on these premises, an energy analysis of the "G-WAN" sensor node was carried out, aiming to optimize the device and resolve its hardware and firmware criticalities. Through the use of the Power Profiler Kit II (PPK2) and oscilloscope measurements, it was possible to analyze the primary energy parameters and firmware phases (deep sleep and awake). The investigation focused particularly on the inrush currents caused by the circuit's capacitive loads (which generate peaks of up to 0.5A) and on the issue of the ESP32 locking up upon battery connection. To overcome these challenges, this study proposes and validates a firmware-level implementation of sequential and delayed sensor activation, capable of mitigating current transients. The work concludes with a technical and economic evaluation regarding the transition to a LiFePO4 battery, solutions aimed at ensuring greater stability, safety, and autonomy for the device in the field.

Per l'agricoltura 4.0 è fondamentale integrare sensoristica specifica per l'analisi di parametri come umidità, pH e temperatura. Questi sensori devono operare in microzone e, per questo funzionamento, le WSN (Wireless Sensor Network) sono largamente utilizzate. Da queste premesse è nata l'analisi energetica del nodo sensore "G-WAN", con l'obiettivo di ottimizzarlo e risolverne le criticità hardware e firmware. Tramite l'utilizzo del PPK2 (Power Profiler Kit II) e di misurazioni con l'oscilloscopio, è stato possibile analizzare i parametri energetici principali e le fasi del firmware (deep sleep e awake). L'indagine si è concentrata in particolare sulle correnti di spunto (in-rush currents) causate dai carichi capacitivi del circuito (che generano picchi fino a 0.5A) e sul problema del blocco dell'ESP32 al collegamento della batteria. Per superare queste problematiche, lo studio propone e valida l'implementazione firmware di un'accensione sequenziale e ritardata dei sensori, capace di abbattere i transitori di corrente. Il lavoro si conclude con una valutazione tecnica ed economica circa il passaggio a una batteria LiFePo4, soluzioni mirate a garantire una maggiore stabilità, sicurezza e autonomia al dispositivo in campo.