211service.com
Eerste demonstratie van een bewakingscamera aangedreven door gewone wifi-uitzendingen
Een van de belangrijkste belemmeringen voor het inzetten van sensoren, camera's en communicators is de kwestie van de macht. Bij het monteren van een beveiligingscamera op een buitenmuur of een temperatuursensor op zolder loopt meteen de vraag op hoe je een stroomkabel naar het toestel moet leiden of regelmatig batterijen moet laten vervangen.
Dan is er het internet der dingen, het idee dat bijna elk object zou kunnen worden uitgerust met een chip die gegevens uitzendt zoals de locatie, of het vol of leeg is of dat een andere parameter zoals temperatuur of druk gevaarlijk hoog of laag is.
Er worden geweldige dingen verwacht van het internet der dingen, maar alleen als ingenieurs één mogelijke showstopper van een vraag kunnen oplossen: hoe deze talloze kleine machines van stroom te voorzien.
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Vamsi Talla en vrienden van de Universiteit van Washington in Seattle. Deze jongens hebben een manier ontwikkeld om stroom uit te zenden naar externe apparaten met behulp van een bestaande technologie die veel mensen al in hun woonkamer hebben: gewone wifi. Ze noemen hun nieuwe aanpak power over Wi-Fi of PoWi-Fi.
Het idee is eenvoudig van opzet. Wi-Fi-radio-uitzendingen zijn een vorm van energie die een eenvoudige antenne kan oppikken. Tot nu toe zijn Wi-Fi-ontvangers allemaal ontworpen om de informatie te verzamelen die deze uitzendingen bevatten.
Maar Talla en co wijzen erop dat er geen reden is waarom de energie niet ook zou moeten worden geoogst. De vraag is hoeveel er op deze manier kan worden opgehaald. En daar ligt de uitdaging.
De aanpak van het University of Washington-team is verfrissend eenvoudig. Ze verbinden eenvoudig een antenne met een temperatuursensor, plaatsen deze dicht bij een wifi-router en meten de resulterende spanningen in het apparaat en hoe lang het alleen op deze externe stroombron kan werken.
Het simpele antwoord is dat de spanning over de sensor nooit hoog genoeg is om de bedrijfsdrempel van ongeveer 300 millivolt te overschrijden. Vaak komt het echter in de buurt.
Maar een nadere bestudering van de gegevens levert interessante lectuur op. Het probleem is dat wifi-uitzendingen niet continu zijn. Routers hebben de neiging om in bursts op één kanaal uit te zenden. Dit levert voldoende stroom voor de sensor maar zodra de uitzending stopt, vallen de spanningen weg. Het resultaat is dat de sensor gemiddeld niet genoeg sap heeft om te werken.
Dat bracht Talla en vrienden op een idee. Waarom programmeert u de router niet om ruis uit te zenden wanneer deze geen informatie uitzendt en gebruikt u aangrenzende Wi-Fi-kanalen om deze over te dragen, zodat deze de gegevenssnelheden niet verstoort.
En dat is precies wat ze hebben gedaan. Om dit te doen, hebben ze de elektronische ingewanden van drie routers nodig, één voor elk van de kanalen waarop ze willen uitzenden. (Wi-Fi-uitzendingen kunnen plaatsvinden op elk van de 11 overlappende kanalen binnen een 72 MHz-band gecentreerd op de 2,4 GHz-frequentie. Hierdoor kunnen drie niet-overlappende kanalen tegelijkertijd worden uitgezonden.)
Talla en co gebruiken drie Atheros AR9580-chipsets, standaardelektronica voor wifi-routers. Ze programmeren deze apparaten echter om uit te zenden op een manier die continue stroom kan leveren aan een sensor voor het oogsten van energie.
Vervolgens meten ze de resulterende spanningen in hun temperatuursensor en bepalen hoe lang deze kan werken op verschillende afstanden van de aangepaste router.
De resultaten zijn indrukwekkend. Het blijkt dat de temperatuursensor kan werken op afstanden tot ongeveer zes meter van de router en door een oplaadbare batterij aan de mix toe te voegen, konden Talla en co dat verhogen tot ongeveer negen meter.
Nog ambitieuzer, ze sloten ook een camera aan op hun antenne. Dit was een low-power Omnivision VGA-sensor die in staat is om 174 x 144 pixels zwart-wit beelden te produceren, waarvoor 10,4 milliJoule energie per beeld nodig is.
Om energie op te slaan, hebben ze een condensator met lage lekkage op de camera aangesloten, die wordt geactiveerd wanneer de condensator wordt opgeladen tot 3,1 V en blijft werken totdat de spanning daalt tot 2,4 volt. De beelden werden opgeslagen in een 64 KB niet-vluchtig ferro-elektrisch willekeurig toegankelijk geheugen.
In de daaropvolgende tests presteerde de camera opmerkelijk goed. De batterijloze camera kan werken tot [ongeveer vijf meter] van de router, waarbij elke 35 minuten een beeld wordt vastgelegd, zeggen Talla en co. Door een oplaadbare batterij toe te voegen verhoogden ze dat tot zeven meter. De router zou de camera zelfs door een bakstenen muur kunnen voeden, wat aantoont dat het mogelijk zou zijn om het apparaat buiten te bevestigen terwijl de voeding binnen blijft.
Dat is iets dat enorm handig zou zijn voor bewaking, misschien verbonden met een bewegingssensor om de camera te activeren wanneer iets in zijn gezichtsveld beweegt.
Om te pronken, verbond het team hun antenne ook met een Jawbone-fitnesstracker en gebruikte deze om het muntbeslag dat het aandreef op te laden. Hiermee laden we een Jawbone UP24-apparaat in de buurt van de PoWi-Fi-router op van een lege toestand naar 41% opgeladen toestand in 2,5 uur, zeggen ze.
Dit soort prestaties roept echter belangrijke vragen op, niet in de laatste plaats hoe de extra wifi-uitzendingen de gegevenssnelheden kunnen verstoren. Om daar achter te komen, hebben Talla en co zes woningen in een grootstedelijk gebied voorzien van deze apparaten en vervolgens de impact op de gebruikers gemonitord.
Die impact was minimaal, zeggen Talla en co. Vier van de gebruikers merkten geen verschil in de gebruikerservaring en één gebruiker zei dat hun online ervaring daadwerkelijk verbeterde. Talla en co zeggen dat dit kwam omdat hun aangepaste router een router van bijzonder lage kwaliteit verving. De eindgebruiker meldde een lichte verslechtering van haar YouTube-kijkervaring, wat volgens Talla en co waarschijnlijk te wijten was aan interferentie met andere apparaten.
Deze resultaten zullen geruststellend zijn, maar alleen voor sommige gebruikers. Talla en co maken geen melding van de impact die hun nieuwe routers hadden op de downloadsnelheden van andere routers in de buurt, bijvoorbeeld die van buren.
De belangrijke onbeantwoorde vraag is deze: hoe interfereren deze routers met andere signalen? Het hebben van een router naast de deur die signalen uitzendt op drie wifi-kanalen is misschien niet ieders idee van burengedrag.
Het is echter de moeite waard om erop te wijzen dat als dit soort interferentie een probleem blijkt te zijn voor huidige routers, het een probleem is dat in toekomstige generaties kan worden opgelost.
Daarom mag het geen afbreuk doen aan het buitengewone potentieel van PoWi-Fi. De mogelijkheid om draadloos stroom te leveren aan een breed scala aan autonome apparaten en sensoren is enorm belangrijk. Maar de echte kers op de taart is de mogelijkheid om dit te doen met gewone technologie die algemeen beschikbaar is in de hele ontwikkelde wereld en daarbuiten. Als zodanig zou PoWi-Fi de ondersteunende technologie kunnen zijn die eindelijk het internet der dingen tot leven brengt.
Referentie: arxiv.org/abs/1505.06815 : De volgende miljard apparaten van stroom voorzien met wifi