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Sensoren ohne Batterien
Einige Technologen glauben, dass in Zukunft scheinbar unsichtbare Computer überall eingebettet sein werden, die Daten über die Umwelt sammeln und für Entscheidungsträger nützlich machen. Eine Möglichkeit, diese Art von ubiquitärem Computing zu erreichen, besteht darin, winzige Sensoren zu verteilen, die beispielsweise Licht, Temperatur oder Bewegung messen.
Aber ohne eine dauerhafte Stromquelle müssten die Batterien solcher Sensoren alle paar Monate ausgetauscht werden. Mit anderen Worten, allgegenwärtige Sensoren könnten auch allgegenwärtige leere Batterien bedeuten, sagt Josh Smith, Forscher bei Intel-Forschung in Seattle.
Smith und sein Team gehen dieses Problem nicht an, indem sie an langlebigeren Batterien arbeiten, sondern indem sie versuchen, den Bedarf an Batterien vollständig zu eliminieren. Stattdessen verwenden ihre Prototypen die gleiche stromsparende Technik, die von batterielosen Radiofrequenz-Identifikations-(RFID)-Tags verwendet wird.
Das Konzept, die Sensorbatterie wegzuwerfen, ist nicht neu. Forscher haben vorgeschlagen, Energie aus Umgebungsvibrationen oder Umgebungslicht einzufangen, um einen Sensor zu betreiben (siehe Free Electricity from Nano Generators ). Es ist jedoch unklar, ob eine Technologie, die Umgebungsenergie erfasst, kostengünstig in ein Sensorgerät integriert werden kann.
Im Gegensatz dazu ist die Technologie von RFID-Tags, die beim Scannen mit einem RFID-Lesegerät einige wenige Informationen übertragen, billig genug, um sie in Sensoren zu integrieren und in Serie zu produzieren; Sie werden bereits häufig zur Verfolgung von Vieh und Fracht sowie von Autos verwendet, die leichte Überholspuren auf Autobahnen passieren.
Smith erklärt, dass die Sensorgeräte von Intel Standardkomponenten verwenden: eine Antenne zum Senden und Empfangen von Daten und zum Sammeln von Energie von einem Lesegerät sowie einen Sensor enthaltenden Mikrocontroller – ein winziger Computer, der nur ein paar hundert Mikrowatt Leistung zum Sammeln benötigt und Prozessdaten.
Die Antenne bezieht diese Leistung direkt aus den Funkwellen, die von einem RFID-Lesegerät ausgesendet werden. Wenn ein Tag in die Reichweite eines Lesegeräts gelangt, passiert das Funksignal des Lesegeräts die Antenne und erzeugt eine Spannung, die das Tag aktiviert. Das Etikett ist dann in der Lage, durch einen als Rückstreuung bezeichneten Prozess Informationen an das Lesegerät zu senden, bei dem die Antenne im Wesentlichen eine datencodierte Variation des empfangenen Funksignals reflektiert.
Der Mikrocontroller, den Smiths Team der RFID-Antenne hinzugefügt hat, umfasst einen 16-Bit-Mikroprozessor, 8 Kilobyte Flash-Speicher und 256 Byte Direktzugriffsspeicher.
Eine der Hauptaufgaben des Mikrocontrollers besteht darin, sicherzustellen, dass Informationen fehlerfrei an das Lesegerät übertragen werden, was mehr Rechenaufwand erfordert, als ein herkömmlicher RFID-Tag bewältigen kann. In einem typischen Tag werden die Fehlerprüfinformationen vorberechnet und auf dem Chip gespeichert; Aber für einen Sensor, sagt Smith, müssen diese Informationen in Echtzeit berechnet werden, während die Daten gesammelt werden.
Genau wie RFID-Tags schalten sich die batterielosen Sensoren nur ein, wenn sie auf ein Lesegerät treffen. Solange sich das RFID-Lesegerät in Reichweite des Geräts befindet, kann es laut Smith Daten sammeln und an das Lesegerät senden.
Batterielose Sensoren könnten in vielen Bereichen nützlich sein, einschließlich der Medizin, sagt Zeke Mejia, Chief Technology Officer von Digital Angel mit Sitz in St. Paul, einem Hersteller von RFID-Tags. Sie könnten jederzeit den Status und bestimmte Zustände im Körper überprüfen, sagt Mejia, vom Glukosespiegel bei Menschen mit Diabetes bis zum pH-Wert von Blut und anderen Körperflüssigkeiten.
In ihrer aktuellen Form müssen sich die Sensoren von Intel innerhalb von etwa einem Meter von einem Lesegerät befinden, um aktiviert zu werden. Das ist näher, als es für manche Anwendungen ideal wäre, wie zum Beispiel das Messen der Temperatur von Lebensmitteln, die in großen Kisten verpackt sind oder Vibrationen in dicken Wänden. Das Problem ist, dass der Mikrocontroller zwar nur ein Milliwatt Leistung zum Betrieb benötigt, zum Einschalten jedoch drei Volt Strom benötigt und der Sensor innerhalb eines Meters von einem industrieüblichen RFID-Lesegerät entfernt sein muss, um so viel Energie zu erzeugen. Aber mit kleinen Änderungen in der Art und Weise, wie der Mikrocontroller Daten verarbeitet, könnte die Gruppe den Spannungsbedarf auf 1,8 Volt reduzieren, sagt Smith, und damit die Reichweite auf etwa fünf Meter erhöhen.
Der neueste Prototyp des Teams enthält einen Lichtsensor, einen Temperatursensor und sogar einen Neigungssensor in einem batterielosen Gerät. Die Forscher arbeiten daran, Mikrocontroller und Antenne in einem einzigen Chip zu integrieren, der sich im Feld einfacher installieren lässt. Wie viel Energie eine RFID-Antenne aus einem Lesegerät gewinnen kann, haben sie inzwischen visuell demonstriert: Sie haben damit den Sekundenzeiger einer Armbanduhr mit Strom versorgt.
Es überrascht die Leute, dass diese unsichtbare Energieform – Radiowellen – tatsächlich einen Uhrzeiger bewegen kann, sagt Smith. Und ein einziger Sekundenzeiger, sagt Smith, verbraucht ungefähr so viel Energie wie das Senden eines Datenbits von seinem Sensor.