Wireless RF sensing in ionic aqueous environment: Modeling, design and validation
İyonik sulu ortamda kablosuz RF algılama: Modelleme, tasarım ve doğrulama
- Tez No: 898308
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 74
Özet
Büyüyen iklim değişikliği krizi doğrultusunda, su gibi sınırlı kaynakların korunmasına yönelik acil bir eylem planı bulunmaktadır. Günlük yaşamda suyun kullanım nedenlerinden biri olan hijyen, elektrik mühendisliği açısından teknolojik gelişmeler adına bugüne kadar pek ilgi görmemiştir. Banyo/tuvaletlerde su kullanımı kontrollü veya ayarlanabilir bir şekilde yapılmamakta ve kullanılan su miktarı tamamen tuvalet kullanıcısına bağlı olmaktadır. Klozetteki dışkı miktarını ve türünü tespit etmek için tasarlanan bir kablosuz sensör, kendiliğinden temizlik için su tüketimini kontrol etme veya ayarlama yollarını kolaylaştırarak oyun değiştirici olacaktır. Ancak böyle bir sensörün tasarımı ve çalıştırılması, klozetteki karmaşık ortam nedeniyle son derece zordur. Bu göreve uygun bir sensörün tuvaletlerde kullanılabilmesi için birçok gereksinimi karşılaması gerekir. Sensörün kullanıcılara mahremiyet sağlarken, harici ve kablosuz olarak çalışması ve yalnızca haznenin içine duyarlı olması gerekmektedir. Bu gereklilik, sensörü kullanıcılardan gizlerken, temizleyici kimyasallar,atık su ve dışkıyla doğrudan temastan koruyacaktır. Ayrıca sensörün, mevcut tuvalet düzenekleri geometrisiyle uyumlu olması gerekmektedir. Mikrodalga sensörlerin potansiyel olarak düşük maliyeti ve düşük gürültü performansı, onları bu görev için en olası aday haline getirmektedir. Ne yazık ki tüm bu gereksinimleri karşılayan bir kablosuz algılama teknolojisi şu anda bulunmamaktadır. Bu tezde, bu teknolojik boşluğu doldurmak için, 680-700 MHz'de çalışan, tek terminalli, düşük maliyetli, üretimi kolay bir devre gerektiren ve ilk kez spektral yanıt ile geçici zaman davranışının benzersiz bir kombinasyonunun birlikte kullanıldığı işlev olarak yeni bir yakın-alan RF sensörü önerilmiş ve gösterilmiştir. Önerilen sensör, klozetin porselen duvarına ve içindeki suya özel olarak yakın alanda bağlanacak şekilde tasarlanmıştır, bu da onu çevredeki ortamdan etkilenmez hale getirmektedir. Klozetin alt kısmında U-borusunun dış duvarının üç boyutlu yüzeyine monte edilmekte ve U-borusunun içinde oluşan değişikliklere göre algılama yapmaktadır. Geliştirilen sensör, idrarın klozete enjekte edilmesi durumunda olduğu gibi, tuvaletin içindeki suya iyonik içerik eklendiğini algılayabilmektedir. Yapay idrar kullanılarak sensörün uygulama ile uyumlu suda iyonik konsantrasyonları (31 mM'a kadar) algılayabildiği gösterilmiştir. Ayrıca, klozet içerisindeki sulu ortama eklenen katı nesnelerin, su yüzeyinin zaman modülasyonu kullanılarak algılandığı gösterilmiştir. Su yüzeyindeki dalgalanmalar üzerinde oluşturulan bu tür karakteristik modülasyonlar, sensör tarafından rezonans frekansındaki geçici zaman kaymaları cinsinden algılanmaktadır. Zaman içinde frekans kayması okumasının türevinin Fourier içeriğinin türetilmesi, hazneye katı ve sıvı ekleme arasında özel olarak ayrım yapmak için değerli bilgiler üretmektedir. Aslında, maksimum büyüklüğü kaydederken frekans kayması türevinin bölüm bölüm Fourier dönüşümleri, bir karar verme grafiği oluşturmaya yardımcı olmaktadır. Bu, basit eşikleme yoluyla ortama katıların mı yoksa sıvıların mı eklendiğini belirlemek adına Fourier uzayında faydalı bilgileri içermektedir. Çıkarılan bu bilgiler, su tasarrufu için uygun yıkama mekanizmasının seçilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasında elde edilen bulgular, sulu ortam için geliştirilen bu kablosuz RF algılama teknolojisinin akıllı tuvalet ve yeşil temizlik uygulamaları için büyük umut vaat ettiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In light of the growing crisis of climate change, there is an urgent call to preserve the available limited resources like water. One of the sources of water use in everyday life is for hygiene, which has not received much attention for technological advancements from electrical engineering point of view to date. Water use in bathrooms is not regulated or controlled and the amount of water used is completely dependent on the bathroom user. A wireless sensor designed to detect the amount and type of excreta in a toilet bowl would be a game changer facilitating ways to regulate or adjust the water consumption for automatic cleaning. The design and operation of such a sensor are, however, extremely challenging due to the complicated environment in a bathroom. A proper sensor for this task must satisfy many requirements to be finally worthy of being installed in bathrooms. While providing privacy for users, the sensor must operate wirelessly from the exterior and be sensitive only to the inside of the bowl. This requirement hides the sensor from users and cleaners and preserves it from direct contact with the waste water or excreta. Moreover, the sensor must be conformable to take the shape of most of the currently available toilet setups. The potentially low cost and low noise performance of microwave sensors make them possibly an excellent candidate for the task. Unfortunately, a wireless sensing technology that meets all these requirements does not currently exist. In this thesis, to meet this technological gap, a functionally novel near-field RF sensor operating at 680-700 MHz with a single port which requires rather cheap and easy-to-manufacture circuitry is proposed and demonstrated employing a unique combination of spectral response and time-transient behaviour together for the first time. The proposed sensor is designed to be specifically coupled in the near field to the porcelain wall of the toilet bowl and water inside it which makes it impervious to the surrounding environment. It is installed on the three-dimensional surface of the outer wall of the U-pipe at the bottom of the bowl and performs sensing according to the changes occurring inside the U-pipe. The developed sensor is capable of sensing the addition of ionic content to the water inside the toilet, the same as the case when urine is injected into the bowl. Using artificial urine, the sensor is shown to detect ionic concentrations (down to 31 mM) in water which perfectly suits the application. Moreover, the addition of solid objects into the aqueous medium is demonstrated to be sensed using the time modulation of the surface of the water. Such characteristic modulations created on the water surface (ripples) are detected by the sensor in terms of time-transient shifts in resonance frequency. Deriving the Fourier content of the derivative of the frequency shift read-out in time produces valuable information for specifically differentiating between solid insertion and liquid addition into the bowl. In fact, section-by-section Fourier transforms of the frequency shift derivative while recording the maximum magnitude helps constructing a decision-making graph. This contains the useful information in the Fourier domain to determine whether solids or liquids were inserted in the medium by simple thresholding. Such extracted information plays a key role in choosing suitable washing mechanism to save water. The findings of this thesis indicate that this developed technology of wireless RF sensing in an aqueous environment holds great promise for smart bathroom and green cleaning applications.
Benzer Tezler
- Novel wireless RF-biomems implant sensors of metamaterials
Metamalzeme özgün kablosuz RF-biyomems implant sensörler
ROHAT MELİK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tekerlekli otonom robotlar için görüntü işleme tabanlı bir haritalama algoritması geliştirilmesi
Developing a vision based mapping algorithm for autonomous wheeled robots
BERKAN ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT OVACIK
- Microwave sensor design for non-invasive blood glucose measurement
Non-invaziv kan şekeri ölçümü için mikrodalga sensör tasarımı
MUTAHHAR KURAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MERİH PALANDÖKEN
- Wireless meta-structured RF probes for vibration sensing
Titreşim algılama için kablosuz meta-yapılı RF probları
TUĞBA KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK
- Wireless radio frequency sensors for structural health monitoring
Yapısal sağlık izlemeye uygun kablosuz radyo frekansı sensörleri
HATİCE ERTUĞRUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
DOÇ. DR. VAKUR B. ERTÜRK