Wi-Fi-n küldött árammal dolgozhatnak az érzékelők
A Wi-Fi routerek által kibocsátott elektromágneses sugárzás nem csak adatok, hanem energia átvitelére is alkalmas. Ezt eddig is tudtuk, egy új kutatás azonban azt is bebizonyította, hogy ehhez nem kellenek dedikált, vagy utólag módosított hardverek, csupán szoftverfrissítéssel felkészíthetőek erre a hagyományos hozzáférési pontok.
Izzásban az okosotthonos és IoT termékek területe - ugyan a piaci áttörést még egy cég sem érte el, iparági konszenus, hogy ez csupán napok-hónapok-negyedévek kérdése lehet, és hamarosan mindenki szenzorokkal és internetre kötött használati tárgyakkal fogja körbevenni magát. Egy új kutatás egy probléma megoldását mindenesetre közelebb hozta: hamarosan mellőzhetjük majd az elemet az egyszerűbb IoT-eszközökből, elegendő lesz a Wi-Fi hozzáférési pont által kibocsátott rádiófrekvenciás sugárzás energiája.
Tölteni nem fogunk róla
A megoldás lényege, hogy a 2,4 GHz-es rádiófrekvenciás sugárzást a "betakarítók" (harvester) szűrik ki a levegőből és alakítják azt feszültséggé. Mivel az engedély nélkül használható frekvenciatartományokban igen szigorú szabályozás érvényes, a jeladó maximális teljesítménye (a kábelen mérve) 1 watt lehet, a masszívan veszteséges átvitel miatt pedig ennek egészen parányi töredéke vihető át - és minél távolabbra szeretnénk az energiát eljuttatni, annál rosszabb az eredmény.
Elszivárog a szakaszos sugárzás energiája.
Égbe révedő informatikusok: az Időkép-sztori Mi fán terem az előrejelzés, hogy milyen infrastruktúra dolgozik az Időkép alatt, mi várható a deep learning modellek térnyerésével?
Arra tehát nem érdemes számítani, hogy notebookot, telefont vagy hasonló komoly fogyasztót fogunk majd Wi-Fi-n tölteni. Bizonyos eszközöket azonban kifejezetten alacsony energiahasználattal is hasznosak tudnak lenni - például egy digitális hőmérő, amely periodikusan méri és Wi-Fi-n elküldi a hőmérsékleti adatokat, miközben az egész művelethez mindössze 2,77 mikrojoule energiát használ fel. Ennyi energia már nagyjából átvihető a Wi-Fi 2,4 GHz-es tartományában, egy új kutatásnak azonban ezt Wi-Fi adatfolyam mellett, boltban kapható hardverekkel is sikerült elérnie.
Csavar és duplacsavar
A rádiófrekvenciás (RF) energiaátvitel nem mai találmány, ilyen elven működnek például az energiaforrással nem rendelkező RFID chipek, amelyek a kiolvasáshoz és adatátvitelhez szükséges energiát is a leolvasótól kapják. A PoWiFi (power over Wi-Fi) azonban egészen egyedi kihívásokkal rendelkezik, a rádióhullámos energiaátvitel és a Wi-Fi szabvány követelményei ugyanis első olvasatra egymásnak teljesen ellentmondanak. Az energiaátvitelhez nagy erősségű, folyamatos sugárzás kell. Az általános szabályozás szerint azonban antennánként 1 watt a 2,4 gigahertzes tartományban használható rádiós eszközök maximális sugárzási teljesítménye.
A problémát tovább bonyolítja, hogy a Wi-Fi eszközök nem folyamatosan sugároznak, hanem szakaszosan, rövid megszakításokkal, hogy engedjenek más eszközöket is szóhoz jutni (ez az airtime fairness koncepciója) Ez a szakaszos sugárzás azonban az harvesterek belső felépítésének nem felel meg. A harvester ugyanis az antenna mögött kondenzátorba gyűjti a töltést, majd amint feszültség eléri a minimális értéket, begyújtja a rákötött elektronikát, hogy az elvégezhesse a feladatát. A kutatók szerint a szakaszosan sugárzó Wi-Fi-vel ezt a minimumot nem lehet elérni - az "adásszünetben" a begyűjtött feszültség elszivárog a kondenzátorban, így nem tudja az egység elérni a működéshez szükséges töltöttségi szintet.
Folyamatos sugárzás: 100 százalékot meghaladó időbeni lefedettség a tesztkörnyezetben.
A kihívás a szakaszos sugárzás folyamatossá tétele úgy,hogy az a Wi-Fi szabvánnyal is kompatibilis maradjon - ezt a kutatók még tovább fokozták azzal, hogy kizárólag bolti alkatrészekkel, szabványos hozzáférési ponttal dolgoztak (esetünkben néhány ASUS RT-AC68U szétbontásából). A megoldás az energia-sugárzás szétbontása csatornákra. A szabvány ugyanis a szakaszos adást csak az egyes csatornákra külön írja elő, így építhető olyan router, amely három csatornán (ideálisan az 1-es, 6-os és 11-es) csatornán is sugároz. Így megoldható, hogy az adat-réteg a szabvánnyal kompatibilis maradjon, a sugárzás azonban folyamatos legyen (ami a harverster számára kritikus). A kutatók szerint csupán szoftveres módosítással viszonylag könnyen létre hozható olyan router, amely képes 100 százalékot közelítő sugárzásra három antennán kombinálva. Mivel a harverster szempontjából lényegtelen, hogy a sugárzás melyik csatornán történik, ez a megoldás használható.
A Cornell kutatói a módosított szoftverrel ellátott routereket a laboratóriumon kívül is kipróbálták: hat otthonban, egészen gyakorlati körülmények között is sikeres tesztről beszélt a csapat, az energiaellátás és az adatfolyam is működőképesnek bizonyult, a teszt-felhasználók nem számoltak be romló felhasználói élményről.
Következő lépés: jöhetnek a gyártók
A kutatás lényege tehát: megvalósítható dedikált hardverek nélkül olyan Wi-Fi router, amely a felhasznált alkatrészeket tekintve nem, csupán szoftverében különbözik a mezei modellektől. Ezzel a hozzáférési ponttal pedig meghajthatóak az olyan extrém alacsony energiát igénylő okosotthon-eszközök, mint a hőmérők, vagy egyszerű kamerák. A kutatók akkutöltőt is teszteltek, ezzel azonban csupán energiasemleges szintig sikerült eljutni (vagyis épp a természetes merülést sikerült visszatáplálni), a nettó pozitív töltéshez valószínűleg komoly fejlesztésekre lesz még szükség - és kétséges, hogy az átvitt energia egyáltalán elegendő lesz-e például egy okosóra meghajtásához.
A teljes kutatási jelentés szabadon olvasható az arxiv.org oldalán.