Самодостаточная коммуникация: без проводов и батарей Андрей Васильков

Самодостаточная коммуникация: без проводов и батарей

Андрей Васильков

Опубликовано 15 августа 2013

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.

К оглавлению