211service.com
Sensoren zonder batterijen
Sommige technologen zijn van mening dat in de toekomst schijnbaar onzichtbare computers overal zullen worden ingebed, gegevens over de omgeving verzamelen en nuttig maken voor besluitvormers. Een manier om dit soort alomtegenwoordige computers te bereiken, is door kleine sensoren te verspreiden die bijvoorbeeld licht, temperatuur of beweging meten.
Maar zonder een permanente stroombron zouden de batterijen van dergelijke sensoren om de paar maanden moeten worden vervangen. Met andere woorden, alomtegenwoordige sensoren kunnen ook alomtegenwoordige lege batterijen betekenen, zegt Josh Smith, een onderzoeker bij Intel-onderzoek in Seattle.
Smith en zijn team pakken dit probleem niet aan door te werken aan batterijen die langer meegaan, maar door te proberen de noodzaak van batterijen helemaal te elimineren. In plaats daarvan gebruiken hun prototype-apparaten dezelfde stroomopruimingstechniek die wordt gebruikt door batterijloze RFID-tags (radiofrequentie-identificatie).
Het concept van het weggooien van de sensorbatterij is niet nieuw. Onderzoekers hebben voorgesteld om energie van omgevingstrillingen of omgevingslicht op te vangen om een sensor van stroom te voorzien (zie Gratis elektriciteit van nanogeneratoren). Maar het is onduidelijk of technologie die omgevingsenergie opvangt, goedkoop kan worden geïntegreerd in een sensorapparaat.
Daarentegen is de technologie die wordt gebruikt in RFID-tags, die een paar stukjes informatie verzenden wanneer ze worden gescand door een RFID-lezer, goedkoop genoeg om in sensoren te integreren en in massaproductie te worden geproduceerd; ze worden al veel gebruikt om vee en vracht te volgen, evenals auto's die door gemakkelijke doorgangen op snelwegen rijden.
Smith legt uit dat Intel's sensorapparaten gebruik maken van kant-en-klare componenten: een antenne om gegevens te verzenden en te ontvangen en energie te verzamelen van een lezer, en een sensor-bevattende microcontroller - een kleine computer die slechts een paar honderd microwatt aan stroom nodig heeft om te verzamelen en data verwerken.
De antenne haalt dit vermogen rechtstreeks uit de radiogolven die door een RFID-lezer worden uitgezonden. Wanneer een tag binnen het bereik van een lezer komt, gaat het radiosignaal van de lezer door de antenne, waardoor een spanning wordt gegenereerd die de tag activeert. De tag kan dan informatie naar de lezer sturen via een proces dat backscattering wordt genoemd, waarbij de antenne in wezen een gegevensgecodeerde variatie van het ontvangen radiosignaal weergeeft.
De microcontroller die het team van Smith aan de RFID-antenne heeft toegevoegd, omvat een 16-bits microprocessor, 8 kilobyte flash-opslag en 256 byte willekeurig toegankelijk geheugen.
Een van de belangrijkste taken van de microcontroller is ervoor te zorgen dat informatie foutloos naar de lezer wordt verzonden, wat meer rekenwerk vereist dan een conventionele RFID-tag aankan. In een typische tag wordt de foutcontrole-informatie vooraf berekend en opgeslagen op de chip; maar voor een sensor, zegt Smith, moet deze informatie in realtime worden berekend terwijl de gegevens worden verzameld.
Net als RFID-tags gaan de batterijloze sensoren pas aan als ze een lezer tegenkomen. Zolang de RFID-lezer zich binnen het bereik van het apparaat bevindt, zegt Smith, kan hij gegevens verzamelen en naar de lezer sturen.
Batterijloze sensoren kunnen op veel gebieden nuttig zijn, ook in de geneeskunde, zegt Zeke Mejia, chief technology officer van de in St. Paul gevestigde Digital Angel, een maker van RFID-tags. Ze kunnen op elk moment de status en bepaalde omstandigheden in het lichaam controleren, zegt Mejia, van glucosespiegels bij mensen met diabetes tot de pH van bloed en andere lichaamsvloeistoffen.
In hun huidige vorm moeten de sensoren van Intel zich binnen ongeveer een meter van een lezer bevinden om te worden geactiveerd. Dat is dichterbij dan ideaal zou zijn voor sommige toepassingen, zoals het meten van de temperatuur van voedsel verpakt in grote kratten of trillingen in dikke muren. Het probleem is dat, hoewel de microcontroller slechts een milliwatt vermogen nodig heeft om te werken, hij drie volt nodig heeft om in te schakelen, en de sensor moet zich binnen een meter van een industriestandaard RFID-lezer bevinden om zoveel energie op te wekken. Maar met kleine veranderingen in de manier waarop de microcontroller gegevens verwerkt, zegt Smith, zou de groep de spanningsvereiste kunnen verminderen tot 1,8 volt, waardoor het bereik wordt uitgebreid tot ongeveer vijf meter.
Het nieuwste prototype van het team omvat een lichtsensor, temperatuursensor en zelfs een kantelsensor in één batterijloos apparaat. De onderzoekers werken aan manieren om de microcontroller en antenne te integreren in een enkele chip die gemakkelijker in het veld te installeren is. In de tussentijd hebben ze een visuele demonstratie ontwikkeld van hoeveel energie een RFID-antenne uit een lezer kan halen: ze hebben het gebruikt om de secondewijzer van een polshorloge van stroom te voorzien.
Het is voor mensen verrassend dat deze onzichtbare vorm van energie - radiogolven - een wijzer kan laten bewegen, zegt Smith. En een enkele tik van een secondewijzer, zegt Smith, kost ongeveer net zoveel energie als het verzenden van een stukje gegevens van zijn sensor.