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

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे पुलों, जंगलों और अस्पतालों की निगरानी करने वाले सेंसरों को कभी भी बैटरी बदलने की आवश्यकता न हो। दशकों तक, इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) का सपना एक सरल, जिद्दी समस्या के कारण रुका रहा है: शक्ति (पावर)। एक वायरलेस सिग्नल भेजने के लिए, एक डिवाइस को आमतौर पर अपना स्वयं का रेडियो वेव उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऊर्जा को इतनी तेज़ी से खर्च करती है कि कुछ ही हफ्तों या महीनों में एक छोटी बैटरी खाली हो सकती है। इन अरबों बैटरियों को बदलना न केवल अत्यधिक महंगा है, बल्कि यह एक विशाल पर्यावरणीय बोझ भी पैदा करता है। वैज्ञानिक लंबे समय से बिना नया सिग्नल उत्पन्न किए संवाद करने का तरीका खोज रहे हैं। इसके बजाय, उन्होंने 'बैकस्कैटर' नामक एक विधि की ओर देखा, जहाँ एक डिवाइस केवल हवा में उछलने वाली मौजूदा रेडियो तरंगों को परावर्तित (रिफ्लेक्ट) करता है, और जानकारी को एनकोड करने के लिए उनके टकराने के तरीके को बदल देता है। इस तकनीक के लिए लगभग कोई ऊर्जा नहीं चाहिए, लेकिन अब तक, इसे बहुत दूर तक डेटा भेजने या जटिल, भारी हार्डवेयर के बिना इसे विश्वसनीय रूप से करने में संघर्ष करना पड़ा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने की दिशा में एक व्यावहारिक कदम प्रदर्शित किया है, जिसमें उन्होंने एफएम (FM) रेडियो स्टेशनों की परिचित गूँज को छोटे, बैटरी-मुक्त सेंसरों के लिए ऊर्जा स्रोत में बदल दिया है। एक हालिया अध्ययन में, उन्होंने एक ऐसा सेंसर नोड बनाया जो सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा संचित करता है और वाणिज्यिक एफएम ब्रॉडकास्ट स्टेशनों से आने वाली परिवेशी (एम्बिएंट) रेडियो तरंगों का उपयोग डेटा भेजने के लिए करता है। नए सिग्नल बनाने के बजाय मौजूदा संकेतों को परावर्तित करके, यह डिवाइस मानक वायरलेस रेडियो की तुलना में आवश्यक ऊर्जा के एक बहुत ही छोटे अंश पर काम करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग और एक ऐसे रिसीवर के चतुर संयोजन का उपयोग करके 150 मीटर की दूरी तक सफलतापूर्वक डेटा प्रसारित कर सकता है, जो इतने कम-शक्ति वाले सिस्टम के लिए एक महत्वपूर्ण रेंज है, जो एक साथ कई रेडियो स्टेशनों को सुनता है।

इस उपलब्धि का मुख्य आधार यह है कि सेंसर अपना संदेश कैसे बनाता है। सामान्यतः, एक जटिल रेडियो सिग्नल उत्पन्न करने के लिए एक सुचारू, निरंतर तरंग उत्पन्न करने हेतु एक समर्पित सर्किट की आवश्यकता होती है। हालाँकि, यह नया डिवाइस कुछ अलग करता है। यह एक मानक, 'ऑफ-द-शेल्फ' माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करता है—वही जो कई उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में पाया जाता है—"चर्प" (chirp) के रूप में ज्ञात एक विशिष्ट प्रकार का सिग्नल उत्पन्न करने के लिए। एक 'चर्प' एक ध्वनि या तरंग है जो एक कम पिच से उच्च पिच तक सुचारू रूप से घूमती है, जैसे किसी पक्षी की पुकार या सोनार पिंग। इस प्रणाली में, माइक्रोकंट्रोलर स्वयं तरंग उत्पन्न नहीं करता है। इसके बजाय, यह शून्य और एक के एक विशेष पैटर्न की गणना करता है जो 'चर्प' के आकार का प्रतिनिधित्व करता है। फिर यह इस पैटर्न को एक एंटीना से जुड़े एक छोटे इलेक्ट्रॉनिक स्विच को भेजता है। जैसे ही स्विच दो अवस्थाओं के बीच तेजी से बदलता है, यह एंटीना द्वारा आने वाली एफएम रेडियो तरंगों के परावर्तन के तरीके को बदल देता है। यह तीव्र बदलाव मौजूदा रेडियो तरंगों पर 'चर्प' पैटर्न को अंकित कर देता है, जिससे बिना किसी नए कैरियर सिग्नल को उत्पन्न किए, डेटा के साथ परावर्तन को मॉड्युलेट किया जाता है।

ऊर्जा के उपयोग को अविश्वसनीय रूप से कम रखने के लिए, डिवाइस को अधिकांश समय 'स्लीप मोड' में रहने के लिए डिज़ाइन किया गया है। माइक्रोकंट्रोलर डेटा पैटर्न उत्पन्न करता है और स्विच को केवल कुछ क्षणों के लिए चालू करता है, और फिर तुरंत 'डीप स्लीप' मोड में वापस चला जाता है जहाँ यह लगभग न के बराबर बिजली खींचता है। पूरा सिस्टम एक छोटे सौर सेल (सोलर सेल) से प्राप्त ऊर्जा पर चलता है, जिसे एक सुपरकैपेसिटर में संग्रहीत किया जाता है, जो एक छोटे, पुन: चार्ज होने योग्य बैटरी की तरह कार्य करता है। अपने परीक्षणों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि नोड औसतन केवल 22 माइक्रोवाट बिजली की खपत करता है। यह लगभग एक एकल एलईडी को एक सेकंड के एक अंश के लिए चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा है, फिर भी यह सेंसर रीडिंग वाला डेटा पैकेट भेजने के लिए पर्याप्त थी। डिवाइस इतना छोटा है कि यह 45 x 50 मिलीमीटर के सर्किट बोर्ड पर फिट हो सकता है, जो लगभग एक मानक माचिस की डिब्बी के आकार का है, और इसमें तापमान, आर्द्रता, दबाव, गति और चुंबकीय क्षेत्र के लिए सेंसर शामिल हैं।

बैकस्कैटर तकनीक के लिए सबसे महत्वपूर्ण बाधाओं में से एक दूरी रही है। सिग्नल को परावर्तित करना उसे प्रसारित करने की तुलना में बहुत कमजोर होता है, इसलिए सिग्नल अक्सर रिसीवर द्वारा पकड़े जाने से पहले ही फीका पड़ जाता है। इससे निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने केवल एक रेडियो स्टेशन पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक ऐसा रिसीवर डिज़ाइन किया जो एक साथ कई एफएम स्टेशनों को सुनता है। अपने बाहरी प्रयोगों में, सेंसर को रिसीवर से 150 मीटर की दूरी पर रखा गया था, जबकि इसके द्वारा परावर्तित एफएम ब्रॉडकास्ट सिग्नल 34.5 किलोमीटर दूर स्थित एक ट्रांसमीटर स्टेशन से आ रहे थे। रिसीवर, जो लो-कॉस्ट सॉफ्टवेयर-डिफाइंड रेडियो हार्डवेयर से बना था, ने तीन अलग-अलग एफएम स्टेशनों से परावर्तित होकर आए उसी डेटा पैकेट को कैप्चर किया। क्योंकि प्रत्येक स्टेशन सिग्नल के लिए थोड़ा अलग मार्ग प्रदान करता है, रिसीवर इन कई प्रतियों को मिलाकर संदेश का एक स्पष्ट और मजबूत संस्करण बना सकता है। इस तकनीक को 'डाइवर्सिटी रिसेप्शन' कहा जाता है, जिसने सिस्टम को त्रुटियों को ठीक करने और डेटा को सफलतापूर्वक डिकोड करने की अनुमति दी, भले ही किसी भी एकल स्टेशन से प्राप्त सिग्नल इतना कमजोर था कि उसे अकेले समझा न जा सके।

अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि यह विधि वास्तविक दुनिया में काम करती है। शोधकर्ताओं ने मौजूदा बीबीसी (BBC) रेडियो स्टेशनों को कैरियर तरंगों के स्रोत के रूप में उपयोग करते हुए एडिनबर्ग में हेरियट-वाट विश्वविद्यालय के परिसर में इस प्रणाली का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि तीन स्टेशनों से संकेतों को मिलाकर, सिस्टम 150 मीटर की अधिकतम परीक्षणित दूरी पर एक विश्वसनीय कनेक्शन बनाए रख सकता है। डेटा दर धीमी थी, जो प्रति सेकंड केवल कुछ सौ बिट्स भेज रही थी, लेकिन यह उन पर्यावरणीय निगरानी अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है जहाँ सेंसरों को हर कुछ मिनटों में केवल तापमान या गति की घटना की रिपोर्ट करने की आवश्यकता होती है। अध्ययन स्पष्ट रूप से उल्लेख करता है कि प्रणाली पूरी तरह से मौजूदा प्रसारण बुनियादी ढांचे पर निर्भर है, जिसके लिए किसी नए ट्रांसमीटर या समर्पित रेडियो स्रोतों की आवश्यकता नहीं है। यह यह भी रेखांकित करता है कि 'चर्प' सिग्नल बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली डिजिटल विधि इतनी सरल है कि इसे सामान्य माइक्रोक्रोलर्स पर चलाया जा सकता है, जिससे महंगे या जटिल कस्टम हार्डवेयर की आवश्यकता नहीं पड़ती।

हालाँकि वर्तमान 150 मीटर की सीमा एक मजबूत प्रदर्शन है, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि यह केवल एक शुरुआत है। सिस्टम को स्केलेबल (विस्तार योग्य) बनाया गया है, और कई स्टेशनों का उपयोग यह सुझाव देता है कि अधिक रेडियो कवरेज वाले क्षेत्रों में इसकी सीमा बढ़ाई जा सकती है। अध्ययन यह भी बताता है कि डिजिटल 'चर्प सिंथेसिस' विधि लचीली है और संभावित रूप से अन्य प्रकार के वायरलेस नेटवर्क के लिए अनुकूलित की जा सकती है। हालाँकि, शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए कहते कि वर्तमान सफलता उनके परीक्षण की विशिष्ट स्थितियों पर निर्भर करती है, जिसमें स्थानीय एफएम संकेतों की शक्ति और रिसीवर द्वारा कई स्ट्रीम को प्रोसेस करने की क्षमता शामिल है। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के कार्य अधिक जटिल वातावरण को संभालने या दूरी को और बढ़ाने के लिए सिग्नल प्रोसेसिंग को परिष्कृत करने पर केंद्रित हो सकते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ प्रयोगशाला से कहीं आगे तक फैले हुए हैं। यह सिद्ध करके कि एक सेंसर सौर ऊर्जा से चल सकता है और केवल परिवेशी रेडियो तरंगों के परावर्तन का उपयोग करके संचार कर सकता है, शोधकर्ताओं ने वास्तव में रखरखाव-मुक्त वायरलेस नेटवर्क की ओर एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान किया है। इसका अर्थ इमारतों की दीवारों में लगे ऐसे सेंसर हो सकते हैं जिन्हें कभी बैटरी बदलने की आवश्यकता नहीं होगी, या शिपिंग कंटेनरों पर लगे ऐसे टैग जो बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप के वर्षों तक अपनी स्थिति और स्थिति की रिपोर्ट कर सकते हैं। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि संचार के लिए आवश्यक ऊर्जा डिवाइस से नहीं आनी चाहिए; इसे पर्यावरण से उधार लिया जा सकता है। पहले से मौजूद रेडियो तरंगों को परावर्तित करके, ये छोटे नोड्स बिना किसी पावर सोर्स के बोझ के डिजिटल बातचीत में शामिल हो सकते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि डिजिटल सिंथेसिस और स्मार्ट सिग्नल संयोजन के सही तालमेल के साथ, आत्मनिर्भर, बैटरी-मुक्त इंटरनेट ऑफ थिंग्स का सपना वास्तविकता के करीब पहुँच रहा है।