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Erste Demonstration einer Überwachungskamera, die mit gewöhnlichen Wi-Fi-Übertragungen betrieben wird
Eines der größten Hindernisse für den Einsatz von Sensoren, Kameras und Kommunikatoren ist die Frage der Stromversorgung. Die Aufgabe, eine Überwachungskamera an einer Außenwand oder einen Temperatursensor auf einem Dachboden anzubringen, wirft sofort die Frage auf, wie man ein Stromkabel zum Gerät verlegt oder den regelmäßigen Batteriewechsel veranlasst.
Dann gibt es das Internet der Dinge, die Idee, fast jedes Objekt mit einem Chip auszustatten, der Daten sendet, etwa seinen Standort, ob es voll oder leer ist oder ob ein anderer Parameter wie Temperatur oder Druck gefährlich hoch oder niedrig ist.
Große Dinge werden vom Internet der Dinge erwartet, aber nur, wenn Ingenieure eine potenzielle Showstopper-Frage lösen können: wie man diese zahlreichen winzigen Maschinen antreibt.
Heute erhalten wir dank der Arbeit von Vamsi Talla und seinen Freunden an der University of Washington in Seattle eine Antwort. Diese Jungs haben eine Möglichkeit entwickelt, Strom an entfernte Geräte zu übertragen, indem sie eine vorhandene Technologie verwenden, die viele Menschen bereits in ihren Wohnzimmern haben: gewöhnliches Wi-Fi. Sie nennen ihren neuen Ansatz Power over Wi-Fi oder PoWi-Fi.
Die Idee ist einfach im Konzept. Wi-Fi-Radiosendungen sind eine Form von Energie, die eine einfache Antenne aufnehmen kann. Bisher wurden alle Wi-Fi-Empfänger darauf ausgelegt, die Informationen zu sammeln, die diese Sendungen enthalten.
Aber Talla und Co weisen darauf hin, dass es keinen Grund gibt, warum die Energie nicht auch geerntet werden sollte. Die Frage ist, wie viel auf diese Weise gesammelt werden kann. Und darin liegt die Herausforderung.
Der Ansatz des Teams der University of Washington ist dabei erfrischend unkompliziert. Sie schließen einfach eine Antenne an einen Temperatursensor an, platzieren sie in der Nähe eines WLAN-Routers und messen die resultierenden Spannungen im Gerät und wie lange es allein mit dieser entfernten Stromquelle betrieben werden kann.
Die einfache Antwort ist, dass die Spannung am Sensor nie hoch genug ist, um die Betriebsschwelle von etwa 300 Millivolt zu überschreiten. Allerdings kommt es oft nahe.
Aber eine genauere Betrachtung der Daten ergibt eine interessante Lektüre. Das Problem ist, dass Wi-Fi-Sendungen nicht kontinuierlich sind. Router neigen dazu, in Bursts auf einem einzigen Kanal zu senden. Dies liefert genügend Strom für den Sensor, aber sobald die Übertragung stoppt, fallen die Spannungen ab. Das Ergebnis ist, dass der Sensor im Durchschnitt nicht genug Saft hat, um zu funktionieren.
Das brachte Talla und seine Freunde auf eine Idee. Warum programmieren Sie den Router nicht so, dass er Rauschen sendet, wenn er keine Informationen sendet, und verwenden Sie benachbarte Wi-Fi-Kanäle, um es zu übertragen, damit es die Datenraten nicht stört.
Und genau das haben sie getan. Dazu benötigen sie die elektronischen Innereien von drei Routern, einen für jeden der Kanäle, auf denen sie senden wollen. (Wi-Fi-Sendungen können auf einem von 11 überlappenden Kanälen innerhalb eines 72-MHz-Bands erfolgen, das auf der 2,4-GHz-Frequenz zentriert ist. Dies ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von drei nicht überlappenden Kanälen.)
Talla und Co verwenden drei Atheros AR9580-Chipsätze, Standardelektronik für Wi-Fi-Router. Sie programmieren diese Geräte jedoch so, dass sie so senden, dass sie einen Energy-Harvesting-Sensor kontinuierlich mit Strom versorgen können.
Dann messen sie die resultierenden Spannungen in ihrem Temperatursensor und ermitteln, wie lange dieser in verschiedenen Entfernungen vom modifizierten Router arbeiten kann.
Die Ergebnisse sind beeindruckend. Es stellt sich heraus, dass der Temperatursensor in einer Entfernung von bis zu sechs Metern vom Router betrieben werden kann, und durch Hinzufügen eines Akkus zum Mix konnten Talla und Co die Entfernung auf etwa neun Meter erhöhen.
Noch ehrgeiziger schlossen sie auch eine Kamera an ihre Antenne an. Dabei handelte es sich um einen stromsparenden Omnivision-VGA-Sensor, der Schwarzweißbilder mit 174 x 144 Pixeln erzeugen konnte, was 10,4 Millijoule Energie pro Bild erforderte.
Um Energie zu speichern, haben sie einen Low-Leck-Kondensator an der Kamera angebracht, der aktiviert wird, wenn der Kondensator auf 3,1 V aufgeladen wird, und weiterarbeitet, bis die Spannung auf 2,4 Volt abfällt. Die Bilder wurden in einem nichtflüchtigen ferroelektrischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff von 64 KB gespeichert.
In den anschließenden Tests schnitt die Kamera bemerkenswert gut ab. Die batterielose Kamera kann bis zu [etwa fünf Meter] vom Router entfernt betrieben werden, wobei alle 35 Minuten ein Bild aufgenommen wird, sagen Talla und Co. Durch Hinzufügen eines Akkus erhöhten sie diese auf sieben Meter. Der Router könnte die Kamera sogar durch eine Ziegelwand mit Strom versorgen, was zeigt, dass es möglich wäre, das Gerät draußen anzubringen, während die Stromversorgung drinnen bleibt.
Das wäre für die Überwachung sehr nützlich, vielleicht in Verbindung mit einem Bewegungssensor, der die Kamera auslöst, wenn sich etwas in seinem Sichtfeld bewegt.
Nur um anzugeben, schloss das Team seine Antenne auch an einen Jawbone-Fitness-Tracker an und benutzte sie, um den Münzakku aufzuladen, der ihn mit Strom versorgte. Damit laden wir ein Jawbone UP24-Gerät in der Nähe des PoWi-Fi-Routers in 2,5 Stunden von einem Zustand ohne Ladung auf einen Ladezustand von 41 % auf, heißt es.
Diese Art von Leistung wirft jedoch wichtige Fragen auf, nicht zuletzt, wie die zusätzlichen Wi-Fi-Sendungen die Datenraten beeinträchtigen könnten. Um dies herauszufinden, statteten Talla und Co. sechs Häuser in einem Ballungsgebiet mit diesen Geräten aus und überwachten dann die Auswirkungen auf die Benutzer.
Diese Auswirkungen waren minimal, sagen Talla und Co. Vier der Benutzer nahmen keinen Unterschied in der Benutzererfahrung wahr und ein Benutzer sagte, dass sich seine Online-Erfahrung tatsächlich verbessert habe. Talla und Co sagen, dass dies daran lag, dass ihr modifizierter Router einen besonders minderwertigen ersetzte. Die Endbenutzerin berichtete von einer leichten Verschlechterung ihres YouTube-Erlebnisses, was laut Talla und Co. wahrscheinlich auf Interferenzen mit anderen Geräten zurückzuführen ist.
Diese Ergebnisse werden beruhigend sein, aber nur für einige Benutzer. Talla und Co. erwähnen nicht die Auswirkungen ihrer neuen Router auf die Download-Geschwindigkeiten anderer Router in der Nähe, beispielsweise derjenigen, die von Nachbarn verwendet werden.
Die wichtige unbeantwortete Frage lautet: Wie stören diese Router andere Signale? Einen Router nebenan zu haben, der Signale auf drei Wi-Fi-Kanälen aussendet, ist vielleicht nicht jedermanns Vorstellung von nachbarschaftlichem Verhalten.
Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass, wenn sich diese Art von Interferenz als Problem für aktuelle Router herausstellt, eines ist, das in zukünftigen Generationen gelöst werden könnte.
Deshalb sollte es das außergewöhnliche Potenzial von PoWi-Fi nicht schmälern. Die Fähigkeit, eine Vielzahl von autonomen Geräten und Sensoren drahtlos mit Strom zu versorgen, ist von enormer Bedeutung. Aber das eigentliche i-Tüpfelchen hier ist die Fähigkeit, dies mit gewöhnlicher Technologie zu tun, die überall in der entwickelten Welt und darüber hinaus allgemein verfügbar ist. Als solches könnte PoWi-Fi die Schlüsseltechnologie sein, die das Internet der Dinge endlich zum Leben erweckt.
Ref: arxiv.org/abs/1505.06815 : Versorgung der nächsten Milliarde Geräte mit Wi-Fi