211service.com
Sensorer uden batterier
Nogle teknologer mener, at i fremtiden vil tilsyneladende usynlige computere være indlejret overalt, der indsamler data om miljøet og gør det nyttigt for beslutningstagere. En måde at opnå denne form for allestedsnærværende databehandling er at sprede bittesmå sensorer, der måler for eksempel lys, temperatur eller bevægelse.
Men uden en vedvarende strømkilde ville sådanne sensorer have behov for, at deres batterier udskiftes med få måneders mellemrum. Med andre ord kan allestedsnærværende sensorer også betyde allestedsnærværende døde batterier, siger Josh Smith, forsker ved Intel Research i Seattle.
Smith og hans team løser dette problem ikke ved at arbejde på batterier, der holder længere, men ved at forsøge helt at eliminere behovet for batterier. I stedet anvender deres prototype-enheder den samme strømsparende teknik, der bruges af batterifrie radiofrekvensidentifikationsmærker (RFID).
Konceptet med at smide sensorbatteriet ud er ikke nyt. Forskere har foreslået at fange energi fra miljøvibrationer eller omgivende lys for at drive en sensor (se Gratis elektricitet fra nanogeneratorer). Men det er uklart, om teknologi, der fanger omgivende energi, kan integreres billigt i en sensorenhed.
I modsætning hertil er teknologien, der bruges i RFID-tags, som transmitterer nogle få bits information, når de scannes af en RFID-læser, billig nok til at integreres i sensorer og masseproduceres; de er allerede meget brugt til at spore husdyr og gods, såvel som biler, der passerer gennem lette vejbaner på motorveje.
Smith forklarer, at Intels sensorenheder bruger hyldekomponenter: en antenne til at sende og modtage data og indsamle energi fra en læser og en sensorholdig mikrocontroller – en lille computer, der kun kræver et par hundrede mikrowatt strøm til at indsamle og behandle data.
Antennen høster denne effekt direkte fra radiobølgerne, der udsendes af en RFID-læser. Når et mærke kommer inden for rækkevidde af en læser, passerer læserens radiosignal gennem antennen og genererer en spænding, der aktiverer mærket. Tagget er derefter i stand til at sende information til læseren gennem en proces kaldet backscattering, hvor antennen i det væsentlige afspejler en datakodet variation af det modtagne radiosignal.
Mikrocontrolleren, som Smiths team føjede til RFID-antennen, inkluderer en 16-bit mikroprocessor, 8 kilobyte flashlager og 256 bytes tilfældig adgangshukommelse.
En af mikrocontrollerens hovedopgaver er at sikre, at information transmitteres til læseren fejlfrit, hvilket kræver mere beregning, end et konventionelt RFID-tag kan håndtere. I en typisk tag er fejlkontrolinformationen forudberegnet og gemt på chippen; men for en sensor, siger Smith, skal denne information beregnes i realtid, efterhånden som data indsamles.
Ligesom RFID-tags tænder de batterifrie sensorer kun, når de støder på en læser. Så længe RFID-læseren er inden for enhedens rækkevidde, siger Smith, kan den indsamle data og sende dem til læseren.
Batterifrie sensorer kan være nyttige på mange områder, herunder medicin, siger Zeke Mejia, teknologichef for St. Paul-baserede Digital Angel, en RFID-tag-producent. De kunne kontrollere status og visse tilstande i kroppen til enhver tid, siger Mejia, fra glukoseniveauer hos mennesker med diabetes til pH i blod og andre kropsvæsker.
I deres nuværende form skal Intels sensorer være inden for omkring en meter fra en læser for at blive aktiveret. Det er tættere på, end det ville være ideelt til nogle applikationer, såsom måling af temperaturen på fødevarer pakket i store kasser eller vibrationer i tykke vægge. Problemet er, at mens mikrocontrolleren kun behøver en milliwatt strøm for at køre, skal den bruge tre volt elektricitet for at tænde, og sensoren skal være inden for en meter fra en industristandard RFID-læser for at generere så meget energi. Men med mindre ændringer i den måde, mikrocontrolleren behandler data på, siger Smith, kunne gruppen reducere spændingskravet til 1,8 volt og dermed udvide rækkevidden til omkring fem meter.
Holdets seneste prototype inkorporerer en lyssensor, temperatursensor og endda en hældningssensor i én batterifri enhed. Forskerne arbejder på måder at integrere mikrocontrolleren og antennen i en enkelt chip, der ville være nemmere at installere i marken. I mellemtiden har de udviklet en visuel demonstration af, hvor meget energi en RFID-antenne kan få fra en læser: de har brugt den til at drive sekundviseren på et armbåndsur.
Det er overraskende for folk, at denne usynlige form for energi - radiobølger - faktisk kan få en urhånd til at bevæge sig, siger Smith. Og et enkelt kryds af en anden hånd, siger Smith, tager omtrent lige så meget energi som at sende en bit data fra sin sensor.