Самодостаточная коммуникация: без проводов и батарей
Сегодня окружающее пространство пронизано радиоволнами настолько плотно, что для простых коммуникационных устройств уже нет необходимости генерировать собственные сигналы и соревноваться в их мощности. На коротких расстояниях связь становится возможной путём избирательного отражения любого существующего радиосигнала – например, от телебашни.
Такой примитивный, но действенный способ беспроводной связи в некоторых случаях даже не требует отдельного источника питания. Для него вполне хватает энергии самих электромагнитных волн.
Из этих соображений родилась идея передачи данных на небольшие расстояния с использованием только пассивных устройств.
Прототип устройства беспроводной передачи данных, использующего энергию радиоволн из окружающего пространства (фото: Aaron N. Parks et al.).
Сейчас технологии маломощных коммуникаций находятся на волне подъёма. Растёт и популярность индуктивных схем зарядки. Многие крупные производители активно внедряют и то и другое.
Если для мобильных гаджетов это больше вопрос удобства, то для имплантируемых устройств – пожалуй, единственный способ обеспечить долгую автономную работу. Жизнь пациента с кардиостимулятором не должна зависеть от ёмкости батарейки и возможности вовремя её заменить.
Ещё в советское время радиолюбителям удавалось запитать лампочку для карманного фонарика от дипольной антенны, находясь вблизи радиостанции или другого мощного источника электромагнитных волн на подходящей частоте.
В обычных городских условиях получать достаточное для питания аппаратуры количество энергии “из воздуха” было практически невозможно. Ситуация изменилась благодаря появлению компонентов со сверхнизким энергопотреблением и разработке метода под названием “обратное рассеивание в окружающей среде” (ambient backscattering).
Концепция основана на устройствах, мощность которых ограничивается десятками, максимум – сотнями микроватт. Это на порядки меньше того, что требуется для упомянутой лампочки накаливания, но именно столько можно гарантированно получить практически везде с помощью пассивной схемы, настроенной на мегагерцевый диапазон.
Такой мощности не хватит для генерирования нового радиосигнала, но её вполне достаточно для модуляции и избирательного отражения имеющихся.
Доступная мощность при беспроводном получении энергии от радиопередатчика мегаваттного класса в Сиэтле. Пунктирной линией обозначено расстояние в 10,4 км (изображение: Aaron N. Parks et al.).
Исследователи из штата Вашингтонского университета в Сиэтле решили не ограничиваться расчётами, а создать действующий прототип устройства. Основных требований было два – отсутствие собственного источника питания и способность передавать данные по беспроводному каналу.
Звучит похоже на технологию RFID, но это только на первый взгляд. У нового принципа связи есть ряд важных преимуществ.
В отличие от RFID, метод не требует наличия генератора сигнала и точной настройки на узкий радиодиапазон. Если RFID-метки полностью пассивные, то считыватели – активные компоненты системы.
Они потребляют около одного ватта и имеют довольно скромный радиус действия, поэтому малопригодны для использования на больших и открытых пространствах.
Кроме того, связь по методу обратного рассеивания обладает максимальной электромагнитной совместимостью, поскольку такие устройства сами не излучают новых радиоволн: они лишь избирательно переотражают имеющиеся. В ходе тестов зарегистрировать помехи удалось лишь в том случае, когда антенна прототипа находилась непосредственно вблизи антенны телевизора.
Во всех остальных случаях переотражённый сигнал отфильтровывался телеприёмником как слабая помеха.
Созданный университетской группой прототип состоял из четырёхслойной платы размером с кредитку и дипольной антенны длиной 258 мм. Параметры антенны рассчитывались с учётом выбранной частоты и подбирались в серии экспериментов.
На печатной плате были размещены следующие модули: коллектор энергии, приёмник, передатчик и блок сенсорных кнопок. Кроме того, для визуальной индикации работы и в качестве потенциального оптического канала связи на плате был размещён маломощный светодиод.
Беспроводная передача данных между двумя устройствами без источников питания (фото: Washington.edu).
Приёмник, передатчик и коллектор подключены к одной антенне и работают попеременно. Преобразованная энергия радиоволн (в данном случае – от телебашни) используется для питания всех компонентов.
Схема была оптимизирована для работы в дециметровом диапазоне частот (515–565 МГц). В выбранной полосе шириной 50 МГц местные телевещательные компании одновременно транслировали восемь каналов.
Для работы прототипа устройства хватило бы и одного, однако с учётом разной продолжительности вещания и технических перерывов был сделан запас для обеспечения круглосуточного функционирования.
Схема устройства (изображение: Washington.edu).
Эффективная излучаемая мощность телевышки была оценена в один мегаватт, поэтому созданные прототипы функционировали даже на удалении более десяти километров.
В приёмнике использовались только аналоговые компоненты, а его потребляемая мощность была в пределах 0,25–0,54 мкВт.
Передача осуществлялась пакетами длиной по 96 бит, из которых 64 бита составляла преамбула (поле для синхронизации). Применяемый компаратор TS881 и микроконтроллер MSP430 также отличались сверхнизким потреблением.
Они выполняли декодирование пакетов данных и проверку их целостности по контрольной сумме.
Для созданного прототипа энергопотребление компонентов в процентах от общего выглядит следующим образом: микроконтроллер – 64%; светодиод и сенсорные кнопки – 26%; схема управления питанием – 8%. На модулятор и демодулятор пришлось всего по одному проценту, что демонстрирует исключительную энергоэффективность предложенной технологии.
Два таких устройства устанавливали надёжную связь друг с другом на расстоянии около полуметра. На открытом пространстве оно было немного больше, внутри помещений – предсказуемо уменьшалось.
Конечно, полметра – это довольно мало, но уже пригодно для практического применения. Например, исследователи успешно имитировали бесконтактный перевод денег с одной банковской карты на другую без использования терминала.
В другом эксперименте десяток таких устройств выполняли схожие с RFID функции и помогали мерчандайзеру определять товар, лежащий не на своих полках. На следующей иллюстрации показано уведомление о забытых ключах на экране смартфона – тоже чрезвычайно полезная функция.
Уведомление о забытых ключах (фото: University of Washington).
В серийно выпускаемых устройствах потери энергии будут меньше. Соответственно, мощность передатчика, чувствительность приёмника и радиус действия увеличатся.
По приведённым в статье расчётам, при существующих CMOS-технологиях вся электроника уместится на площади в квадратный миллиметр. Габариты будут лимитированы исключительно антенной.
Однако с учётом примитивности конфигурации её без особых проблем можно разместить где угодно – хоть вшить в одежду.
Среди перспективных сфер применения в первую очередь выделяют всевозможные датчики мониторинга состояния окружающей и производственной среды, связь между компонентами носимой электроники и экстренные варианты оповещения. Как минимум многие выносные датчики уже сегодня вполне могут обойтись без проводов и батареек.
Брайан Трейси Самодостаточность