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

Stel je een wereld voor waarin de sensoren die onze bruggen, bossen en ziekenhuizen bewaken nooit van batterij hoeven te worden vervangen. Decennialang werd de droom van het Internet of Things tegengehouden door een simpel, hardnekkig probleem: energie. Om een draadloos signaal te verzenden, moet een apparaat meestal zijn eigen radiogolf genereren, een proces dat energie zo snel verbruikt dat een kleine batterij binnen weken of maanden leeg is. Het vervangen van miljarden van deze batterijen is niet alleen onbetaalbaar, maar creëert ook een enorme milieu-impact. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om te communiceren zonder een signaal vanaf nul te genereren. In plaats daarvan keken ze naar een methode genaamd backscatter, waarbij een apparaat simpelweg bestaande radiogolven reflecteert die door de lucht stuiteren, waarbij het de manier waarop ze weerkaatsen verandert om informatie te coderen. Deze techniek vereist bijna geen energie, maar tot nu toe had het moeite om data over een grote afstand te verzenden of dit betrouwbaar te doen zonder complexe, omvangrijke hardware.

Een team onderzoekers heeft nu een praktische stap gezet naar het oplossen van dit probleem door het vertrouwde gezoem van FM-radiostations te veranderen in een energiebron voor piepkleine, batterijvrije sensoren. In een recente studie bouwden zij een sensorknooppunt dat energie oogst uit zonlicht en de omgevingsradiogolven van commerciële FM-omroepstations gebruikt om data te verzenden. Door deze bestaande signalen te reflecteren in plaats van nieuwe te creëren, werkt het apparaat op een fractie van de energie die nodig is voor standaard draadloze radio's. De onderzoekers toonden aan dat deze aanpak erin slaagde om data over een afstand van 150 meter te verzenden, een aanzienlijk bereik voor een dergelijk laag vermogenssysteem, door een slimme combinatie van digitale signaalverwerking en een ontvanger die tegelijkertijd naar meerdere radiostations luistert.

De kern van deze prestatie ligt in de manier waarop de sensor zijn bericht creëert. Normaal gesproken vereist het genereren van een complex radiosignaal een specifieke schakeling om een vloeiende, continue golf te produceren. Dit nieuwe apparaat doet echter iets anders. Het gebruikt een standaard, kant-en-klare microcontroller — het soort dat in veel consumentenelektronica wordt gevonden — om een specifiek type signaal te genereren dat een "chirp" wordt genoemd. Een chirp is een geluid of golf die vloeiend van een lage toon naar een hoge toon zwiept, vergelijkbaar met de roep van een vogel of een sonar-ping. In dit systeem genereert de microcontroller de golf niet zelf. In plaats daarvan berekent het een patroon van enen en nullen dat de vorm van de chirp vertegenwoordigt. Vervolgens stuurt het dit patroon naar een pieklektronische schakelaar die verbonden is met een antenne. Terwijl de schakelaar heen en weer klapt tussen twee toestanden, verandert het de manier waarop de antenne de binnenkomende FM-radiogolven reflecteert. Deze snelle beweging drukt het chirp-patroon op de bestaande radiogolven, waardoor de reflectie effectief wordt gemoduleerd met data zonder ooit een nieuwe draaggolf te genereren.

Om het energieverbruik extreem laag te houden, is het apparaat ontworpen om de meeste tijd in een slaapstand te staan. De microcontroller genereert het datapatroon en laat de schakelaar slechts voor korte momenten klappen, om vervolgens onmiddellijk terug te keren naar een diepe slaapmodus waarin het bijna geen stroom verbruikt. Het hele systeem draait op energie die is geoogst uit een kleine zonnecel, opgeslagen in een supercondensator, die fungeert als een soort kleine, oplaadbare batterij. In hun tests ontdekten de onderzoekers dat het knooppunt gemiddeld slechts 22 microwatt aan vermogen verbruikte. Dit is ongeveer de energie die nodig is om een enkele LED gedurende een fractie van een seconde te voeden, maar het was genoeg om een datapakket met sensorwaarden te verzenden. Het apparaat is klein genoeg om op een printplaat te passen van 45 bij 50 millimeter, ongeveer de grootte van een standaard luciferdoosje, en bevat sensoren voor temperatuur, luchtvochtigheid, druk, beweging en magnetische velden.

Een van de grootste hindernissen voor backscatter-technologie is de afstand. Het reflecteren van een signaal is veel zwakker dan het uitzenden ervan, waardoor het signaal vaak vervaagt voordat het door een ontvanger kan worden opgepikt. Om dit te overwinnen, vertrouwden de onderzoekers niet op één enkel radiostation. In plaats daarvan ontwierpen zij een ontvanger die gelijktijdig naar meerdere FM-stations luistert. In hun buitenexperimenten bevond de sensor zich op 150 meter afstand van de ontvanger, terwijl de gereflecteerde FM-omroepsignalen afkomstig waren van een zendstation dat 34,5 kilometer verderop lag. De ontvanger, gebouwd met goedkope software-defined radio hardware, ving hetzelfde datapakket op terwijl het werd gereflecteerd door drie verschillende FM-stations. Omdat elk station een iets andere route voor het signaal biedt, kan de ontvanger deze meerdere kopieën combineren om een duidelijkere, sterkere versie van het bericht te creëren. Deze techniek, bekend als diverse receptie, stelde het systeem in staat om fouten te corrigeren en de data succesvol te decoderen, zelfs wanneer het signaal van een individuele station te zwak was om op zichzelf begrepen te worden.

De resultaten van de studie laten zien dat deze methode in de echte wereld werkt. De onderzoekers testten het systeem op de campus van Heriot-Watt University in Edinburgh, waarbij ze gebruikmaakten van bestaande BBC-radiostations als bron voor de draaggolven. Ze ontdekten dat door de signalen van drie stations te combineren, het systeem een betrouwbare verbinding kon behouden op de maximaal geteste afstand van 150 meter. De datasnelheid was traag en verstuurde slechts enkele honderden bits per seconde, maar dit is voldoende voor veel toepassingen voor milieumonitoring waarbij sensoren bijvoorbeeld slechts eens in de paar minuten een temperatuur of een bewegingsgebeurtenis hoeven te rapporteren. De studie merkt expliciet op dat het systeem volledig vertrouwt op de bestaande broadcast-infrastructuur en geen nieuwe zenders of speciale radiobronnen vereist. Het benadrukt ook dat de digitale methode die wordt gebruikt om het chirp-signaal te creëren eenvoudig genoeg is om op gangbare microcontrollers te draaien, waardoor de noodzaak voor dure of complexe aangepaste hardware wordt vermeden.

Hoewel de huidige reikwijdte van 150 meter een sterke demonstratie is, erkennen de onderzoekers dat dit slechts een startpunt is. Het systeem is ontworpen om schaalbaar te zijn, en het gebruik van meerdere stations suggereert dat het bereik verder uitgebreid kan worden in gebieden met meer radiobereik. De studie wijst er ook op dat de digitale chirp-synthesemethode flexibel is en potentieel kan worden aangepast voor andere soorten draadloze netwerken. De onderzoekers waarschuwen echter dat het huidige succes afhangt van de specifieke omstandigheden van hun test, inclusief de sterkte van de lokale FM-signalen en het vermogen van de ontvanger om meerdere stromen tegelijk te verwerken. Zij suggereren dat toekomstig werk zich kan richten op het verfijnen van de signaalverwerking om complexere omgevingen aan te kunnen of om de afstand verder te vergroten.

De implicaties van dit werk reiken verder dan het laboratorium. Door te bewijzen dat een sensor kan draaien op geoogste zonne-energie en kan communiceren door enkel de reflectie van omgevingsradiogolven te gebruiken, hebben de onderzoekers een levensvatbaar pad gebaand naar echt onderhoudsvrije draadloze netwerken. Dit zou kunnen betekenen dat sensoren die in muren van gebouwen zijn ingebed nooit van batterij hoeven te worden voorzien, of labels op zeecontainers die jarenlang zonder menselijk ingrijpen hun locatie en conditie rapporteren. De kerninzicht is dat de energie die nodig is om te communiceren niet uit het apparaat zelf hoeft te komen; deze kan uit de omgeving worden geleend. Door de radiogolven te reflecteren die al onze lucht vullen, kunnen deze piekleine knooppunten deelnemen aan het digitale gesprek zonder de last van een energiebron. De studie bevestigt dat met de juiste combinatie van digitale synthese en slimme signaalcombinatie, de droom van een zelfvoorzienend, batterijvrij Internet of Things dichter bij de realiteit komt.