211service.com
Sensorer utan batterier
Vissa teknologer tror att i framtiden kommer till synes osynliga datorer att bäddas in överallt, samla in data om miljön och göra den användbar för beslutsfattare. Ett sätt att uppnå denna typ av allestädes närvarande beräkningar är att sprida små sensorer som mäter till exempel ljus, temperatur eller rörelse.
Men utan en ihållande strömkälla skulle sådana sensorer behöva byta batterier med några månaders mellanrum. Med andra ord kan alla närvarande sensorer också betyda överallt döda batterier, säger Josh Smith, forskare vid Intel Research i Seattle.
Smith och hans team tar itu med detta problem inte genom att arbeta på batterier som håller längre utan genom att försöka eliminera behovet av batterier helt och hållet. Istället använder deras prototypenheter samma strömavlägsnande teknik som används av batterifria radiofrekvensidentifieringsetiketter (RFID).
Konceptet att kasta ut sensorbatteriet är inte nytt. Forskare har föreslagit att fånga energi från miljövibrationer eller omgivande ljus för att driva en sensor (se Gratis elektricitet från nanogeneratorer). Men det är oklart om teknik som fångar omgivande energi kan integreras billigt i en avkänningsenhet.
Däremot är tekniken som används i RFID-taggar, som överför några bitar av information när den skannas av en RFID-läsare, tillräckligt billig för att integreras i sensorer och massproduceras; de används redan i stor utsträckning för att spåra boskap och gods, såväl som bilar som passerar genom enkla passerbanor på motorvägar.
Smith förklarar att Intels sensorenheter använder färdiga komponenter: en antenn för att skicka och ta emot data och samla in energi från en läsare, och en sensorinnehållande mikrokontroller – en liten dator som bara kräver ett par hundra mikrowatt ström för att samla in och bearbeta data.
Antennen hämtar denna kraft direkt från radiovågorna som sänds ut av en RFID-läsare. När en tagg kommer inom räckhåll för en läsare passerar läsarens radiosignal genom antennen och genererar en spänning som aktiverar taggen. Taggen kan sedan skicka information till läsaren genom en process som kallas backscattering, där antennen i huvudsak reflekterar en datakodad variation av den mottagna radiosignalen.
Mikrokontrollern som Smiths team lade till RFID-antennen inkluderar en 16-bitars mikroprocessor, 8 kilobyte flashlagring och 256 byte slumpmässigt åtkomstminne.
En av mikrokontrollerns huvuduppgifter är att säkerställa att information överförs till läsaren felfritt, vilket kräver mer beräkning än vad en konventionell RFID-tagg kan hantera. I en typisk tagg är felkontrollinformationen förberäknad och lagrad på chipet; men för en sensor, säger Smith, måste denna information beräknas i realtid när data samlas in.
Precis som RFID-taggar slås de batterifria sensorerna på endast när de stöter på en läsare. Så länge som RFID-läsaren är inom räckhåll för enheten, säger Smith, kan den samla in data och skicka den till läsaren.
Batterifria sensorer kan vara användbara inom många områden, inklusive medicin, säger Zeke Mejia, teknisk chef för St. Paul-baserade Digital Angel, en RFID-taggtillverkare. De kunde kontrollera status och vissa tillstånd i kroppen när som helst, säger Mejia, från glukosnivåer hos personer med diabetes till pH i blod och andra kroppsvätskor.
I sin nuvarande form måste Intels sensorer vara inom ungefär en meter från en läsare för att kunna aktiveras. Det är närmare än vad som skulle vara idealiskt för vissa applikationer, som att mäta temperaturen på mat packad i stora lådor eller vibrationer i tjocka väggar. Problemet är att medan mikrokontrollern bara behöver en milliwatt ström för att fungera, behöver den tre volt elektricitet för att slå på, och sensorn måste vara inom en meter från en industristandard RFID-läsare för att generera så mycket energi. Men med mindre förändringar i hur mikrokontrollern bearbetar data, säger Smith, kan gruppen minska spänningskravet till 1,8 volt och därmed utöka räckvidden till cirka fem meter.
Teamets senaste prototyp innehåller en ljussensor, temperatursensor och till och med en lutningssensor i en batterifri enhet. Forskarna arbetar på sätt att integrera mikrokontrollern och antennen i ett enda chip som skulle vara lättare att installera i fält. Under tiden har de utvecklat en visuell demonstration av hur mycket energi en RFID-antenn kan få från en läsare: de har använt den för att driva sekundvisaren på ett armbandsur.
Det är förvånande för människor att denna osynliga form av energi – radiovågor – faktiskt kan få en klocka att röra sig, säger Smith. Och en enda tick av en sekundvisare, säger Smith, tar ungefär lika mycket energi som att skicka en bit data från sin sensor.