Battery-free ambient FM backscatter nodes reaching 150 metres through digital chirp synthesis and MISO diversity reception

تخيل عالماً لا تحتاج فيه المستشعرات التي تراقب جسورنا وغاباتنا ومستشفياتنا إلى تغيير البطارية أبداً. لعقود من الزمن، ظل حلم "إنترنت الأشياء" مقيداً بمشكلة بسيطة وعنيدة: الطاقة. لإرسال إشارة لاسلكية، يحتاج الجهاز عادةً إلى توليد موجته الراديوية الخاصة، وهي عملية تستهلك الطاقة بسرعة كافية لاستنزاف بطارية صغيرة في غضون أسابيع أو أشهر. إن استبدال المليارات من هذه البطاريات ليس مكلفاً للغاية فحسب، بل يشكل أيضاً عبئاً بيئياً هائلاً. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة للتواصل دون الحاجة لتوليد إشارة من الصفر. وبدلاً من ذلك، بحثوا في طريقة تسمى "التشتت العكسي" (backscatter)، حيث يقوم الجهاز ببساطة بعكس الموجات الراديوية الموجودة التي ترتد عبر الهواء، مغيرًا طريقة ارتدادها لترميز المعلومات. تتطلب هذه التقنية طاقة ضئيلة جداً، ولكن حتى الآن، كانت تعاني من صعوبة في إرسال البيانات لمسافات بعيدة أو القيام بذلك بشكل موثوق دون أجهزة معقدة وضخمة.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن خطوة عملية نحو حل هذه المشكلة عن طريق تحويل "طنين" محطات راديو FM المألوف إلى مصدر طاقة للمستشعرات الصغيرة التي تعمل بدون بطارية. في دراسة حديثة، قاموا ببناء عقدة مستشعر تستمد الطاقة من ضوء الشمس وتستخدم الموجات الراديوية المحيطة من محطات بث FM التجارية لإرسال البيانات. ومن خلال عكس هذه الإشارات الموجودة بدلاً من إنشاء إشارات جديدة، يعمل الجهاز بجزء ضئيل جداً من الطاقة المطلوبة لأجهزة الراديو اللاسلكية القياسية. وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج يمكنه بنجاح نقل البيانات لمسافة 150 متراً، وهو مدى كبير لمثل هذا النظام منخفض الطاقة، وذلك باستخدام مزيج ذكي من معالجة الإشارات الرقمية وجهاز استقبال يستمع إلى محطات راديو متعددة في وقت واحد.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية إنشاء المستشعر لرسالته. عادةً، يتطلب توليد إشارة راديو معقدة دائرة مخصصة لإنتاج موجة سلسة ومستمرة. ومع ذلك، فإن هذا الجهاز الجديد يفعل شيئاً مختلفاً؛ فهو يستخدم متحكماً دقيقاً (microcontroller) قياسياً -من النوع الموجود في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية- لتوليد نوع معين من الإشارات يُعرف باسم "الزقزقة" (chirp). والزقزقة هي صوت أو موجة تمسح بسلاسة من طبقة منخفضة إلى طبقة عالية، تشبه نداء الطائر أو نبضة السونار. في هذا النظام، لا يقوم المتحكم الدقيق بتوليد الموجة نفسها، بل يحسب نمطاً من الأصفار والآحاد يمثل شكل "الزققة". ثم يرسل هذا النمط إلى مفتاح إلكتروني صغير متصل بهوائي. وبينما يتبدل المفتاح ذهاباً وإياباً بين حالتين، فإنه يغير كيفية عكس الهوائي لموجات راديو FM القادمة. هذا التبدل السريع يطبع نمط الزقزقة على الموجات الراديوية الموجودة، مما يؤدي فعلياً إلى تعديل الانعكاس بالبيانات دون إنتاج إشارة حاملة جديدة أبداً.

للحفاظ على استهلاك الطاقة عند مستويات منخفضة للغاية، تم تصميم الجهاز ليبقى في وضع "النوم" معظم الوقت. يقوم المتحكم الدقيق بتوليد نمط البيانات ويقوم بتبديل المفتاح للحظات وجيزة فقط، ثم يعود فوراً إلى وضع النوم العميق حيث لا يستهلك أي طاقة تقريباً. يعمل النظام بأكمله على الطاقة المستمدة من خلية شمسية صغيرة، مخزنة في مكثف فائق (supercapacitor)، والذي يعمل مثل بطارية صغيرة قابلة لإعادة الشحن. وفي اختباراتهم، وجد الباحثون أن العقدة تستهلك 22 ميكروواط فقط في المتوسط. وهذا يعادل تقريباً الطاقة اللازمة لتشغيل مصباح LED واحد لجزء من الثانية، ومع ذلك كان كافياً لإرسال حزمة بيانات تحتوي على قراءات المستشعرات. الجهاز صغير بما يكفي ليتسع في لوحة دوائر تبلغ أبعادها 45 في 50 ملم، أي بحجم علبة ثقاب قياسية تقريباً، ويتضمن مستشعرات لدرجة الحرارة، والرطوبة، والضغط، والحركة، والمجالات المغناطيسية.

كانت إحدى العقبات الأكثر أهمية أمام تقنية التشتت العكسي هي المسافة. فبما أن عكس الإشارة يكون أضعف بكثير من بثها، فإن الإشارة غالباً ما تتلاشى قبل أن يتم التقاطها بواسطة جهاز استقبال. وللتغلب على ذلك، لم يعتمد الباحثون على محطة راديو واحدة؛ بل صمموا جهاز استقبال يستمع إلى محطات FM متعددة في آن واحد. في تجاربهم الخارجية، وُضع المستشعر على مسافة 150 متراً من جهاز الاستقبال، بينما جاءت إشارات بث FM التي عكسها من محطة إرسال تقع على بعد 34.5 كيلومتراً. تمكن جهاز الاستقبال، المبني من أجهزة راديو معرفة برمجياً (SDR) منخفضة التكلفة، من التقاط نفس حزمة البيانات كما تم عكسها من ثلاث محطات FM مختلفة. ولأن كل محطة توفر مساراً مختلفاً قليلاً للإشارة، يمكن لجهاز الاستقبال دمج هذه النسخ المتعددة لإنشاء نسخة أوضح وأقوى من الرسالة. هذه التقنية، المعروفة باسم "استقبال التنوع" (diversity reception)، سمحت للنظام بتصحيح الأخطاء وفك تشفير البيانات بنجاح حتى عندما كانت الإشارة من أي محطة واحدة ضعيفة جداً بحيث لا يمكن فهمها بمفردها.

تظهر نتائج الدراسة أن هذه الطريقة تعمل في العالم الحقيقي. اختبر الباحثون النظام في حرم جامعة هيريوت وات في إدنبرة، مستخدمين محطات راديو BBC الحالية كمصدر للموجات الحاملة. ووجدوا أنه من خلال دمج الإشارات من ثلاث محطات، استطاع النظام الحفاظ على اتصال موثوق عند أقصى مسافة تم اختبارها وهي 150 متراً. كان معدل نقل البيانات بطيئاً، حيث يرسل بضع مئات من البتات في الثانية فقط، ولكن هذا كافٍ للعديد من تطبيقات المراقبة البيئية حيث تحتاج المستشعرات فقط للإبلاغ عن درجة حرارة أو حدث حركي مرة كل بضع دقائق. وتوضح الدراسة صراحة أن النظام يعتمد كلياً على البنية التحتية للبث الموجودة، ولا يتطلب أجهزة إرسال جديدة أو مصادر راديو مخصصة. كما تسلط الضوء على أن الطريقة الرقمية المستخدمة لإنشاء إشارة الزقزقة بسيطة بما يكفي لتشغيلها على المتحكمات الدقيقة الشائعة، مما يجنب الحاجة إلى أجهزة مخصصة باهظة الثمن أو معقدة.

بينما تعتبر مسافة 150 متراً الحالية دليلاً قوياً، إلا أن الباحثين يقرون بأن هذه مجرد نقطة انطلاق. النظام مصمم ليكون قابلاً للتوسع، واستخدام محطات متعددة يشير إلى إمكانية تمديد المدى بشكل أكبر في المناطق التي تتوفر فيها تغطية راديوية أكثر. كما تشير الدراسة إلى أن طريقة توليد الزقزقة الرقمية مرنة ويمكن تعديلها لتناسب أنواعاً أخرى من الشبكات اللاسلكية. ومع ذلك، يوضح الباحثون بحذر أن النجاح الحالي يعتمد على الظروف المحددة لاختبارهم، بما في ذلك قوة إشارات FM المحلية والقدرة على معالجة تدفقات متعددة في وقت واحد. واقترحوا أن العمل المستقبلي يمكن أن يركز على تحسين معالجة الإشارات للتعامل مع بيئات أكثر تعقيداً أو لزيادة المسافة بشكل أكبر.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما وراء المختبر. فمن خلال إثبات أن المستشعر يمكن أن يعمل بالطاقة الشمسية المجمعة ويتواصل باستخدام انعكاس الموجات الراديوية المحيطة فقط، قدم الباحثون مساراً قابلاً للتطبيق نحو شبكات لاسلكية لا تحتاج إلى صيانة. قد يعني هذا مستشعرات مدمجة في جدران المباني لا تحتاج أبداً لتغيير البطارية، أو علامات على حاويات الشحن تبلغ عن موقعها وحالتها لسنوات دون تدخل بشري. الفكرة الجوهرية هي أن الطاقة المطللة للتواصل لا يجب أن تأتي من الجهاز نفسه، بل يمكن استعارتها من البيئة. ومن خلال عكس الموجات الراديوية التي تملأ هواءنا بالفعل، يمكن لهذه العقد الصغيرة الانضمام إلى المحادثة الرقمية دون عبء مصدر الطاقة. وتؤكد الدراسة أنه مع الجمع الصحيح بين التوليد الرقمي والاستقبال الذكي للإشارات، فإن حلم "إنترنت الأشياء" ذاتي الاستدامة والذي يعمل بدون بطاريات يقترب من الواقع.