Master's Thesis

Using power-harvesting to power smart home devices

Final Thesis 20.12 MB Appendix 13.38 MB

Author of thesis: Bc. Marek Tatýrek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Abstract:

This thesis addresses the field of modern smart home systems and their integration with
energy harvesting technologies. The objective of the work is the design and implementa-
tion of an autonomous smart component that operates without battery power, instead
utilizing energy obtained from its surroundings.
The theoretical section introduces current smart home platforms and communication
technologies, with particular focus on the Matter standard, which represents the current
trend in smart devices. Subsequently, the field of energy harvesting is analyzed as a sus-
tainable alternative to traditional power sources, including an overview of the physical
principles of obtaining energy from ambient sources.
The practical part of the thesis is based on market research, which revealed a lack of
commercially available solutions combining battery-less operation with native Matter
support. Based on the established requirements, a custom device was designed, di-
vided into two logical units: an energy-efficient end node and a communication gateway
(Matter bridge).
The thesis covers the design and implementation of both parts of the system in detail.
TheendnodeisbasedonBluetoothLowEnergytechnologyandthenRF52832platform.
It was developed in two hardware iterations designed in KiCad, commissioned and tested
on real hardware. Due to the excessive power consumption of the original SoftDevice
stack during initialization, a custom lightweight BLE stack was implemented for the end
node. The Matter bridge translates BLE packets into the Matter ecosystem using two
ESP32-S3 microcontrollers enabling simultaneous BLE and Wi-Fi operation. The bridge
firmware was developed using ESP-IDF.
Measurements confirmed that a single mechanical press harvests 95–112𝜇J of energy
with a utilization efficiency of 69–74%. End-to-end transmission reliability exceeds
98.8% at a 95% confidence level, with a latency of 558ms. The result is a func-
tional prototype demonstrating that battery-less operation with native Matter support
is technically feasible.

Keywords:

Smart home, Energy harvesting, Matter, Bluetooth Low Energy (BLE), nRF52832

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy ohledně energetické náročnosti zařízení.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Peter Honec, Ph.D. (člen)
Ing. Ilona Janáková, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D. (člen)
Ing. Miloslav Richter, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D.

Student měl v rámci předložené diplomové práce za úkol navrhnout vhodné zařízení pro chytrou domácnost, které pro svoji činnost nevyžaduje bateriové ani trvalé napájení, ale využívá princip power-harvestingu pro své napájení. Student měl analyzovat požadavky na zařízení chytré domácnosti a na základě analýzy zvolit vhodné zařízení, které by bylo možné napájet systémem získávání energie z prostředí. Student měl dále vhodné zařízení zrealizovat, vybavit ho vhodným systémem generování energie, oživit ho a demonstrovat jeho funkci. Jelikož se jedná o komponenty inteligentní domácnosti, jsou založeny na vestavném mikrokontroleru s bezdrátovou komunikací. Student musel tudíž vytvořit i programová vybavení a elektroniku.
V rámci diplomové práce student navrhnul na základě literárního a internetového průzkumu komponenty inteligentní domácnosti. Navrhnul jejich elektronickou realizaci, a i systém získávaní energie. Student vybral vhodnou bezdrátovou komunikační platformu a vše zrealizoval. Pro zabudované mikrokontrolery student vytvořil programové vybavení a vše otestoval. Plnou funkčnost student demonstroval.
Student pracoval velmi cílevědomě a samostatně. Správně si rozvrhnul čas na práci a podařilo se mu splnit všechny body zadání. Mám za to, že student odvedl velmi dobrou práci a jeho výsledky jsou na vysoké úrovni. Student jednoznačně prokázal své schopnosti a jeho práci navrhuji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 93

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Práce se zabývá aktuální a odborně náročnou problematikou integrace energy harvestingových prvků do ekosystémů chytré domácnosti se zaměřením na standard Matter. Text je strukturován přehledně, odpovídá požadovanému rozsahu diplomové práce (cca 80 stran hlavního textu) a logicky přechází od obecného teoretického rámce přes návrh až k realizaci a testování zařízení. Prezentačně je práce na dobré úrovni, kapitoly i podkapitoly dávají smysl, nechybí úvod, jasně definované cíle, závěr ani přílohy s doplňující dokumentací (schémata, layouty, struktura přiložených souborů, naměřená data).

Formální a jazyková úroveň práce je převážně dobrá; autor používá odbornou terminologii konzistentně a vyhýbá se slangovým či neformálním výrazům. Místy se vyskytují drobné stylistické nedostatky, dlouhá souvětí a ojediněle méně čitelné formulace, ale ty nebrání porozumění obsahu. Typografická úroveň odpovídá šabloně FEKT, obrázky a tabulky jsou číslovány a odkazovány v textu, seznamy obrázků a tabulek jsou korektně vygenerovány.

Student prokazuje dobrou práci s odbornou literaturou i technickou dokumentací; cituje jak základní zdroje k chytré domácnosti, komunikačním standardům a protokolu Matter, tak specializované dokumenty. Seznam literatury je rozsahově přiměřený a zahrnuje jak standardizační dokumenty CSA k Matteru, tak vědecké a technické zdroje k energy harvestingu. Citace v textu jsou používány systematicky, včetně převzatých obrázků a tabulek, a z hlediska formální stránky nepůsobí rušivě.

Z hlediska technického obsahu a využitelnosti výsledků je práce výrazně nadstandardní. Autor nejen shrnuje stav techniky, ale navrhuje a realizuje kompletní řešení bezbateriového tlačítka (harvestor + BLE uzel) a BLE–Matter bridge, včetně dvou generací HW (prototypovací a finální verze PCB) a odpovídajícího firmwaru (vlastní odlehčený BLE stack na nRF52832, firmware pro ESP32-S3 s implementací bridge přes UART protokol). Detailně řeší energetickou bilanci od mechanického stisku až po přenos BLE paketů, včetně výběru topologie usměrňovače, DC/DC měniče, alternativního energy harvesting frontend AEM0003, a volby konkrétního harvesteru ECO260. Testovací část je zpracována pečlivě – měření dosahu, směrové charakteristiky, spolehlivosti přenosu, latence end-to-end v Matter ekosystému a energetické bilance jsou zdokumentována, data jsou uložena v přiložených souborech a shrnuta do tabulek a grafů. Výsledné parametry (energie 95–112 µJ na stisk, účinnost 69–74%, end-to-end spolehlivost ≥ 98,8%, latence ~558 ms) jednoznačně dokládají technickou realizovatelnost bezbateriového prvku s podporou Matter. Výstupy práce jsou dobře využitelné jak pro další výzkum a vývoj v oblasti ultra-low-power a energy harvesting zařízení, tak jako základ pro případný produkt (například rozšíření portfolia bezbateriových tlačítek v Matter ekosystému).

Práci hodnotím jako velmi zdařilou po obsahové stránce, s dobrým zvládnutím jak teoretické, tak praktické části. Drobné výhrady směřují především k místy hutné a méně „učesané“ stylistice a k tomu, že některé dílčí volby (např. úplné opomenutí jiné než mechanické formy harvestingu v návrhové části) by bylo možné ještě kritičtěji porovnat s alternativami. Tyto nedostatky však nesnižují celkově vysokou úroveň technické zprávy ani kvalitu dosažených výsledků, navíc je nutné vyzdvihnout, že téma bylo náročné svým rozsahem a celková kvalita zpracování je na vysoké úrovni. Práci hodnotím jako výbornou - A/94 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Kritickou částí power harvestroru je mj. i účinnost případného měniče. V této souvislosti prosím uveďte jaké další parametry, kromě hodnoty indukčnosti, mají cívky - viz cívka L1 použitá ve sttep-down měniči. Zaměřte se na ty parametry, které mohou ovlivnit účinnost měniče a které výrobci běžně uvádí v katalogových listech. Nebylo by užitečné, kromě samotné hodnoty indukčnosti, uvádět ve schématu nějaké další informace?
Points proposed by reviewer: 94

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová