Czujniki bez baterii

Niektórzy technolodzy uważają, że w przyszłości pozornie niewidzialne komputery będą osadzane wszędzie, zbierając dane o środowisku i czyniąc je użytecznymi dla decydentów. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego rodzaju wszechobecnego przetwarzania jest rozproszenie małych czujników, które mierzą na przykład światło, temperaturę lub ruch.

Ale bez stałego źródła zasilania takie czujniki wymagałyby wymiany baterii co kilka miesięcy. Innymi słowy, wszechobecne czujniki mogą również oznaczać wszechobecne wyczerpane baterie, mówi Josh Smith, badacz z Badania Intel w Seattle.

Smith i jego zespół rozwiązują ten problem nie pracując nad trwalszymi bateriami, ale starając się całkowicie wyeliminować potrzebę ich używania. Zamiast tego w ich prototypowych urządzeniach zastosowano tę samą technikę oszczędzania energii, którą wykorzystują znaczniki identyfikacji radiowej (RFID) bez baterii.

Koncepcja wyrzucania baterii czujnika nie jest nowa. Badacze zaproponowali przechwytywanie energii z wibracji otoczenia lub światła otoczenia w celu zasilania czujnika (zob. Darmowa energia elektryczna z nanogeneratorów). Nie jest jednak jasne, czy technologię wychwytującą energię z otoczenia można niedrogo zintegrować z czujnikiem.

Natomiast technologia wykorzystywana w tagach RFID, które przesyłają kilka bitów informacji po zeskanowaniu czytnikiem RFID, jest wystarczająco tania, aby można ją było zintegrować z czujnikami i produkować masowo; są już powszechnie używane do śledzenia zwierząt gospodarskich i ładunków, a także samochodów przejeżdżających przez łatwe pasy na autostradach.

Smith wyjaśnia, że ​​czujniki firmy Intel wykorzystują gotowe komponenty: antenę do wysyłania i odbierania danych oraz zbierania energii z czytnika oraz mikrokontroler z czujnikiem – mały komputer, który potrzebuje tylko kilkuset mikrowatów energii do zbierania i przetwarzać dane.

Antena pobiera tę moc bezpośrednio z fal radiowych emitowanych przez czytnik RFID. Gdy tag znajdzie się w zasięgu czytnika, sygnał radiowy czytnika przechodzi przez antenę, generując napięcie, które aktywuje tag. Znacznik może następnie wysyłać informacje do czytnika w procesie zwanym rozpraszaniem wstecznym, w którym antena zasadniczo odzwierciedla zmianę odebranego sygnału radiowego zakodowaną w danych.

Mikrokontroler, który zespół Smitha dodał do anteny RFID, zawiera 16-bitowy mikroprocesor, 8 kilobajtów pamięci flash i 256 bajtów pamięci o dostępie swobodnym.

Jednym z głównych zadań mikrokontrolera jest zapewnienie, że informacje są przesyłane do czytnika bez błędów, co wymaga więcej obliczeń niż jest w stanie obsłużyć konwencjonalny tag RFID. W typowym znaczniku informacje dotyczące sprawdzania błędów są wstępnie obliczane i przechowywane na chipie; ale w przypadku czujnika, mówi Smith, informacje te muszą być obliczane w czasie rzeczywistym w miarę gromadzenia danych.

Podobnie jak tagi RFID, czujniki bezbateryjne włączają się dopiero po napotkaniu czytnika. Dopóki czytnik RFID znajduje się w zasięgu urządzenia, mówi Smith, może on zbierać dane i wysyłać je do czytnika.

Czujniki bezbateryjne mogą być przydatne w wielu dziedzinach, w tym w medycynie, mówi Zeke Mejia, dyrektor ds. technologii w firmie Digital Angel z siedzibą w St. Paul, producent tagów RFID. Mejia mówi, że w każdej chwili mogą sprawdzić stan i określone warunki w organizmie, od poziomu glukozy u osób z cukrzycą po pH krwi i innych płynów ustrojowych.

W obecnej formie czujniki Intela muszą znajdować się w odległości około metra od czytnika, aby można go było aktywować. To bliżej niż byłoby to idealne dla niektórych zastosowań, takich jak pomiar temperatury żywności pakowanej w duże skrzynie lub wibracje grubych ścian. Problem polega na tym, że podczas gdy mikrokontroler potrzebuje tylko miliwata mocy do działania, potrzebuje trzech woltów prądu, aby się włączyć, a czujnik musi znajdować się w odległości metra od standardowego czytnika RFID, aby wytworzyć tyle energii. Ale przy niewielkich zmianach w sposobie przetwarzania danych przez mikrokontroler, mówi Smith, grupa może zmniejszyć zapotrzebowanie na napięcie do 1,8 wolta, zwiększając w ten sposób zasięg do około pięciu metrów.

Najnowszy prototyp zespołu zawiera czujnik światła, czujnik temperatury, a nawet czujnik przechyłu w jednym urządzeniu bez baterii. Naukowcy pracują nad sposobami integracji mikrokontrolera i anteny w jeden chip, który byłby łatwiejszy do zainstalowania w terenie. W międzyczasie opracowali wizualną demonstrację tego, ile energii antena RFID może pozyskać z czytnika: wykorzystali ją do zasilania drugiej ręki zegarka na rękę.

Zaskakujące dla ludzi jest to, że ta niewidzialna forma energii – fale radiowe – może rzeczywiście wprawić w ruch wskazówkę zegarka – mówi Smith. A jedno kliknięcie drugiej ręki, jak mówi Smith, pochłania mniej więcej tyle samo energii, co wysłanie jednego bitu danych z jego czujnika.

ukryć