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物联网黑科技:不耗电的新wifi技术

2016-04-15

  目前,国外媒体报道,美国华盛顿大学电子工程学院的学生们日前研发出了一种全新的wifi技术,其最大特点是能耗不到当前wifi的万分之一。最重要的是,通过反向wifi技术还可以给大批量物联网设备充电。该技术已被《麻省理工科技评论》(mit technology review)提名为“2016十大科技突破”,并且已实际应用在华盛顿大学校园里。

不耗电的新wifi技术

  gartner去年公布的新兴技术周期图显示,2016年iot成为最被期待的新兴技术,与之相关的iot平台同样受到强烈的关注,未来5到10年iot技术将趋于成熟。到2020年联网设备的总数将达到甚至超过500亿,物联网将把家庭中的很多设备囊括进来,其中小到智能恒温器,可穿戴设备名大到智能电冰箱……

  而电池有时候是移动设备与传感器的祸根,这种电源并不可靠,必须充电或是定期更换,可能会成为物联网(iot)的最大弱点。为此美国华盛顿大学(university of washington)研究人员想到了一个好主意:由从现有的广播、电视以及其他无线信号中采集能量,他们开发出一种能让传感器、可穿戴式设备等低能量设备,不需要电池或电线就能连网的方法。

  目前,国外媒体报道,美国华盛顿大学电子工程学院的学生们日前研发出了一种全新的wifi技术,其最大特点是能耗不到当前wifi的万分之一。最重要的是,通过反向wifi技术还可以给大批量物联网设备充电。该技术已被《麻省理工科技评论》(mit technology review)提名为“2016十大科技突破”,并且已实际应用在华盛顿大学校园里。

  发射无线电波 从电波中“吸取”供电能源

  这项技术名为“passive wi-fi”(被动wifi),与日常使用的路由器几乎没什么两样,只是更节能。例如,当前路由器的发射功率为100毫瓦,而passive wi-fi路由器的发射功率仅为10~50微瓦,仅为万分之一。

  新wifi技术的工作原理类似于rfid芯片,利用的是电磁的后向反射(wi-fi backscatter)通信技术。当前的wifi技术通过消耗电力来提供信号;而这项技术不同,它会选择性地反射无线电波,还能从电波中“吸取”供电能量。

  该项目研究人员瓦米思·塔尔拉(vamsitalla)称:“采用passive wi-fi技术的设备本身并不传输任何信号,它只通过反射的方式生成数wifi据包。因此,这种一种能耗非常低的无线发射技术。”

  据研究人员介绍,passive wi-fi的工作分为三步:首先需要在墙上安装一个简易设备,用以发送模拟波到passive wi-fi的传感器上。电量大部分耗费在该过程中,而传感器几乎不耗费电量。

  接下来,传感器会接受模拟波,然后进行数字转换,生成wifi数据包。最后,设备能以每秒11mbps的速度(快于蓝牙,但慢于部分家庭宽带)向手机或路由器传送网络数据。

  该低功耗wifi设备,来自名为wi-fi后向散射(wi-fi backscatter)的新型通讯系统,该系统可使用无线电频率作为电能来源,未来甚至不再需要电池。

  wi-fi无线充电 直接从空气中获取能源

  在这种技术的帮助下,未来的物联网设备可能将不再需要电池,而是直接从空气当中获取能源。

  他们发明这项黑科技,被称为“wi-fi无线充电”(“powerover wi-fi”)系统,该技术让我们可以通过wi-fi信号为距离28英尺(约合8.5米)内的设备充电。

  这套系统由两个部分构成,一个是接收器(路由器),以及一个定制的传感器。“传感器的目标是收集rf(射频)功率,并将其转换为直流电源”该项目研究人员vamsi talla解释道:“第二块,就是我们的接收器,我们为其专门定制了一个网上捕鱼的解决方案,利用软体修正的方式,让路由器成为一个给力的电源,同时,也能扮演好传统路由器的角色。”换句话说,你仅仅需要对传统的wi-fi路由器进行升级,让数据传输和能源传输共存一体,互不干扰。或者,更准确地说,这项技术只是有效利用了路由器产生的既有电能。

  除了利用射频做为电源,华盛顿大学的工程师们也发现了重复利用现有wi-fi信号为无电池设备提供连网功能的方法;这种称为wi-fi backscatter的技术,号称是第一个能让无电池设备与wi-fi基础设施链接的方案,奠基于让低功率设备如温度传感器从广播、电视与无线信号采集能量的较早期研究成果之上。

  华盛顿大学表示,这种新技术需要克服的挑战在于,传统的低功率网络如wi-fi与蓝牙,所消耗的能量是得以从电视广播、蜂窝网络或wi-fi发射器采集之能量的两到三倍。wi-fi backscatter这种通讯机制,能让透过射频供电的设备透过反射(reflecting)或不反射来自wi-fi路由器的信号,将数据编码;现有的设备与传感器能侦测到由那些反射所产生的wi-fi信号强度变化。而因为wi-fi backscatter只是反射、并非产生无线信号,因此只需要不到10mw的电量就能与连网设备沟通。

  美国华盛顿大学开发的wi-fi backscatter技术示意图

  华盛顿大学计算机工程电子工程副教授joshua smith表示:“你可能会想,一个低功率设备怎么可能造成无线信号的微小变化?但如果你仔细观察,会发现环境中所有wi-fi信号的反射都有这种现象。”wi-fi backscatter可达到1kbps的通讯速率,设备之间的距离最长可达20米,真是令人印象深刻。

  早在19世纪末20世纪初,知名发明家 nikola tesla就提出过无线供电技术,不过一直以来相关网上捕鱼的解决方案都无法取代随处可见的ac电线;而现今产业界也有许多厂商都在开发短距离的无线充电技术。华盛顿大学计算机科学工程系副教授shyam gollakota表示:“要让物联网起飞,我们必须为可能达数十亿台、嵌入在各种日常用品中的无电池设备提供链接性。”

  gollakota 指出:“我们现在可以让设备拥有无线链接功能,而且所消耗能量等级低于一般wi-fi设备。”也参与wi-fi backscatter研发的华盛顿大学电子工程博士生bryce kellogg表示,该技术最大的优势之一,是只要透过软件更新就能让现有的家用无线路由器,拥有与其他家用智能传感器、物联网设备通讯的功能,这大大降低了消费者布署新技术的门坎。

  新技术已走出实验室 正探寻市场化机会

  bryce kellogg是华盛顿大学电子工程专业的一名博士生,同时也是wi-fi后向散射论文的联合作者。他表示,这项技术拥有非常大的潜力。他表示,传统wi-fi设备非常耗电,但wi-fi后向散射技术可以“大幅降低对于电池的依赖,甚至彻底消除对于电池的需要”。

  在后向散射设备链的另一端,wi-fi接入点可以通过软件升级来和该技术进行协作,kellogg说。“这也就意味着我们可以在房屋当中部署一套无需电池的传感器或智能物联网设备,然后通过现有的wi-fi路由器和它们进行通讯。”他说,“这种方式打破了影响用户采纳物联网设备的一个巨大障碍。”

  研究团队对wi-fi充电系统进行了试验,在20英尺(约合6米)、17英尺(约合5.18米)、28英尺(约合8.53米)三个距离上,分别对一个温度传感器、数码相机还有充电电池成功进行了充电。如果你觉得这些玩意儿似乎有点小儿科,不要怪他们,要怪就怪美国联邦通信委员会(fcc)好了,人家硬要规定,wi-fi路由器的输出功率最高不得超过一瓦,理由嘛,尚且不得而知。如果这一限制得以放松,wi-fi充电系统必将为更多更大件的设备服务。

  目前,这种新技术早已走出了实验室。华盛顿大学的研究团队已经进行了实测,他们在美国西雅图市的六所住宅内部署了无线充电系统,所使用的是华硕rt-ac68u路由器。值得一提的是,测试用的路由器都是些几年前的老型号了,但这并没有影响到实验结果,实验证明,这项技术已经完全可以投入使用。talla表示:“理论上说,这只不过是一个固件升级。”他们需要和硬件制造商合作,虽然当前还没有谈成交易,不过团队也正努力探寻市场化的机会。

  研究团队已经创建了一家公司,希望将迄今为止掌握的wi-fi充电技术转化为一款真正的产品投放市场。他们在市场化过程中,也看到了许多不足,需要进一步提升。比如提高接收器效率,增加充电距离,以及通过代码调整优化,让路由器进一步完善升级。

  talla表示:“我们已经对外发布的研究成果,可以视为第一个概念验证(poc,即根据特定客户的特定业务需求而设计的软件、硬件原型的网上捕鱼的解决方案)。但这并不是最佳网上捕鱼的解决方案,我们正在积极研究,力图让该技术表现得更为成熟。”

  另外,研究团队也在考虑市场问题,想要更好地适应工业和商业领域的需求。当然了,如果美国fcc对于路由器输出功率的限制能够放宽,一切将不再是问题,不过即便有所限制,这项技术也还是大有用武之地的。

  虽然目前的wi-fi充电暂时还只能是“涓涓细流”并不能“势如山洪”,但这仍然是一个了不起的成就。忘了背插充电器,还有电池组什么的吧,我们需要的电能就在身边,我们已经找到利用它们的方法, wi-fi无线充电就在眼前。

 

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