Energy Harvesting and Environmental Monitoring: Design of a Self-Sufficient Energy System Based on Solar Panels

The proliferation of the Internet of Things (IoT) has introduced a paradigm of ubiquitous connectivity, yet its large-scale deployment is fundamentally constrained by the finite lifetime of battery-powered devices. Energy harvesting (EH) presents a viable solution to this challenge, enabling self-sufficient and long-term operation of wireless sensor nodes. This thesis focuses on the design, implementation, and evaluation of a fully autonomous environmental monitoring node powered by solar energy. The primary objective of this work is to demonstrate a practical and energy-neutral system capable of perpetual operation in outdoor settings. The developed sensor node is architected around an ultra-low-power ATtiny84 microcontroller, which orchestrates system operations with a strong emphasis on power efficiency through efficient duty-cycling and deep sleep modes. Environmental data, including temperature, humidity, and barometric pressure, are collected using AHT20 and BMP280 sensors. For long-range data transmission, the system employs a LoRaWAN-compliant RFM95W module, leveraging its low-power characteristics to communicate with The Things Network (TTN). The cornerstone of the system's autonomy is its power subsystem, which integrates a photovoltaic (PV) panel with a specialized nanopower management subsystem. This configuration efficiently harvests solar energy, manages the charging of a rechargeable Li-Po battery, and provides a stable power supply to the node's components. This work presents a complete hardware and software implementation, from the sensor interface to the cloud backend. Experimental validation of the prototype confirms the reliability of the sensing and communication subsystems and provides a detailed analysis of the node's energy budget, demonstrating the system's capability to achieve energy neutrality under typical operating conditions. The findings offer valuable insights and a documented framework for developing sustainable, long-endurance IoT solutions.

La proliferazione dell'Internet delle Cose (IoT) ha introdotto un paradigma di connettività onnipresente, tuttavia la sua implementazione su larga scala è fondamentalmente limitata dalla durata finita dei dispositivi alimentati a batteria. L'Energy Harvesting (EH) rappresenta una soluzione praticabile a questa sfida, consentendo un funzionamento autosufficiente e a lungo termine dei nodi sensore wireless. Questa tesi si concentra sulla progettazione, implementazione e valutazione di un nodo di monitoraggio ambientale completamente autonomo alimentato da energia solare. L'obiettivo principale di questo lavoro è dimostrare un sistema pratico ed energeticamente neutro, in grado di operare perpetuamente in ambienti esterni. Il nodo sensore sviluppato è architettato attorno a un microcontrollore ATtiny84 a bassissimo consumo, che orchestra le operazioni del sistema con una forte enfasi sull'efficienza energetica attraverso un duty-cycling aggressivo e modalità di sonno profondo (deep sleep). I dati ambientali, tra cui temperatura, umidità e pressione barometrica, vengono raccolti utilizzando i sensori AHT20 e BMP280. Per la trasmissione dati a lungo raggio, il sistema impiega un modulo RFM95W compatibile con LoRaWAN, sfruttando le sue caratteristiche di basso consumo per comunicare con The Things Network (TTN). L'elemento cruciale per l'autonomia del sistema è il suo sottosistema di alimentazione, che integra un pannello fotovoltaico (PV) con un sottosistema specializzato per la gestione dell'energia. Questa configurazione raccoglie in modo efficiente l'energia solare, gestisce la carica di una batteria ricaricabile Li-Po e fornisce un'alimentazione stabile ai componenti del nodo. Questo lavoro presenta un'implementazione hardware e software completa, dall'interfaccia del sensore al backend cloud. La validazione sperimentale del prototipo conferma l'affidabilità dei sottosistemi di misura e comunicazione e fornisce un'analisi dettagliata del bilancio energetico del nodo, dimostrando la capacità del sistema di raggiungere la neutralità energetica in condizioni operative tipiche. I risultati offrono spunti preziosi e un quadro documentato per lo sviluppo di soluzioni IoT sostenibili e a lunga durata.