Indoor Ambient Wi-Fi Energy Harvesting for Carbon Dioxide Level Prediction

Abstract

Indoor air pollution is a major issue that can cause serious health problems. Indoor air quality monitoring is needed to provide a solution to improve the air quality. Until now, most solutions for air quality monitoring have required high power sensor and dedicated battery or power source to operate. This battery or power source can require a lot of maintenance and infrastructure to operate which can hinder the system performance and ease of use. In this paper, we propose a novel battery-free system to harvest the Ambient Wi-Fi energy to power the sensor, which then measure the ambient temperature, relative humidity and atmospheric pressure that then send back via Bluetooth Low Energy to use as input for a Bidirectional Long Short-Term Memory model to make prediction on the carbon dioxide level. The energy harvesting system was designed with a Sierpinski Triangle antenna with a very low return loss of -32.3 dB at the 2.4 GHz band and -42.1 dB at the 5 GHz band and gain of 10.68 dBi at 2.4 GHz and 10.74 dBi at 5GHz. The energy from the antenna then passes through a high efficiency rectifier circuit to convert RF power into high voltage DC power. The energy is store in a 50mF supercapacitor which then use to power the MCU and sensor at a distance of 5 m. Data collected is then send back to a server which run a Bi-LSTM model that can give a precise carbon dioxide level with an R2 score of 0.972. The predicted carbon dioxide level can then be used to deter a solution to improve the air quality beforehand or later can be used to control the building HVAC system.|실내 공기 오염은 심각한 건강 문제를 초래할 수 있는 주요 문제이다. 공기 질을 개선하기 위해 실내 공기 질을 모니터링할 필요가 있다. 지금까지 대부분의 공기 질 모니터링 솔루션은 고출력 센서와 전용 배터리 또는 전원 공급 장치를 필요로 했다. 이러한 배터리나 전원 장치는 유지보수와 인프라가 많이 필요하여 시스템 성능과 사용 편의성을 저해할 수 있다. 본 논문에서는 새로운 배터리 프리 시스템을 제안하며, 이를 통해 주변 Wi-Fi 에너지를 수집하여 센서에 전력을 공급한다. 이 센서는 주변 온도, 상대 습도 및 대기압을 측정한 후, Bluetooth 저전력(BLE)을 통해 데이터를 전송하고, 이 데이터를 쌍방향 장기-단기 메모리(Bi-LSTM) 모델의 입력으로 사용하여 이산화탄소 농도를 예측한다. 에너지 수집 시스템은 Sierpinski 삼각형 안테나로 설계하고, 2.4 GHz 대역에서 -32.3 dB, 5 GHz 대역에서 -42.1 dB의 매우 낮은 반사 손실과 2.4 GHz에서 10.68 dBi, 5 GHz에서 10.74 dBi의 이득을 가진다. 안테나로부터 수집한 에너지는 고효율 정류 회로를 통해 RF 전력을 고전압 DC 전력으로 변환한다. 변환된 에너지는 50mF 슈퍼 커패시터에 저장되어, 약 5m 거리에서 MCU와 센서를 구동하는 데 사용된다. 수집된 데이터는 서버로 전송되어 Bi-LSTM 모델을 실행하고 R2 점수가 0.972에 달하는 정확한 이산화탄소 농도를 제공한다. 예측한 이산화탄소 농도는 공기 질을 사전에 개선하거나 이후 건물의 HVAC 시스템을 제어하는 데 활용할 수 있다.