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Sensori senza batterie
Alcuni tecnologi ritengono che in futuro computer apparentemente invisibili saranno incorporati ovunque, raccogliendo dati sull'ambiente e rendendoli utili ai responsabili delle decisioni. Un modo per ottenere questo tipo di elaborazione onnipresente è disperdere minuscoli sensori che misurano, ad esempio, luce, temperatura o movimento.
Ma senza una fonte di alimentazione persistente, tali sensori avrebbero bisogno di sostituire le batterie ogni pochi mesi. In altre parole, sensori onnipresenti potrebbero anche significare batterie scariche onnipresenti, afferma Josh Smith, ricercatore presso Ricerca Intel a Seattle.
Smith e il suo team stanno affrontando questo problema non lavorando su batterie di maggiore durata, ma cercando di eliminare del tutto la necessità di batterie. Invece, i loro prototipi di dispositivi utilizzano la stessa tecnica di risparmio energetico utilizzata dai tag di identificazione a radiofrequenza (RFID) senza batteria.
Il concetto di buttare via la batteria del sensore non è nuovo. I ricercatori hanno proposto di catturare l'energia dalle vibrazioni ambientali o dalla luce ambientale per alimentare un sensore (vedi Elettricità gratuita da Nano Generators). Ma non è chiaro se la tecnologia che cattura l'energia ambientale possa essere integrata in modo economico in un dispositivo di rilevamento.
Al contrario, la tecnologia utilizzata nei tag RFID, che trasmettono pochi bit di informazioni quando scansionati da un lettore RFID, è abbastanza economica da integrarsi nei sensori ed essere prodotta in serie; sono già ampiamente utilizzati per tracciare bestiame e merci, così come le auto che passano attraverso le corsie di facile passaggio sulle autostrade.
Smith spiega che i sensori di Intel utilizzano componenti standard: un'antenna per inviare e ricevere dati e raccogliere energia da un lettore e un microcontrollore contenente sensori, un minuscolo computer che richiede solo un paio di centinaia di microwatt di potenza per raccogliere e dati di processo.
L'antenna raccoglie questa potenza direttamente dalle onde radio emesse da un lettore RFID. Quando un tag entra nel raggio di un lettore, il segnale radio del lettore passa attraverso l'antenna, generando una tensione che attiva il tag. Il tag è quindi in grado di inviare informazioni al lettore attraverso un processo chiamato backscattering, in cui l'antenna riflette essenzialmente una variazione codificata dai dati del segnale radio ricevuto.
Il microcontrollore che il team di Smith ha aggiunto all'antenna RFID include un microprocessore a 16 bit, 8 kilobyte di memoria flash e 256 byte di memoria ad accesso casuale.
Uno dei compiti principali del microcontrollore è garantire che le informazioni vengano trasmesse al lettore senza errori, il che richiede più calcolo di quanto possa gestire un tag RFID convenzionale. In un tag tipico, le informazioni di controllo degli errori sono precalcolate e memorizzate sul chip; ma per un sensore, dice Smith, queste informazioni devono essere calcolate in tempo reale man mano che i dati vengono raccolti.
Proprio come i tag RFID, i sensori senza batteria si accendono solo quando incontrano un lettore. Finché il lettore RFID si trova nel raggio di portata del dispositivo, afferma Smith, può raccogliere dati e inviarli al lettore.
I sensori senza batteria potrebbero essere utili in molte aree, inclusa la medicina, afferma Zeke Mejia, chief technology officer di Digital Angel, con sede a St. Paul, un produttore di tag RFID. Potrebbero controllare lo stato e alcune condizioni del corpo in qualsiasi momento, dice Mejia, dai livelli di glucosio nelle persone con diabete al pH del sangue e di altri fluidi corporei.
Nella loro forma attuale, i sensori di Intel devono trovarsi a circa un metro da un lettore per essere attivati. È più vicino di quanto sarebbe l'ideale per alcune applicazioni, come la misurazione della temperatura di alimenti confezionati in grandi casse o vibrazioni in pareti spesse. Il problema è che mentre il microcontrollore necessita solo di un milliwatt di potenza per funzionare, ha bisogno di tre volt di elettricità per accendersi e il sensore deve trovarsi a meno di un metro da un lettore RFID standard del settore per generare così tanta energia. Ma con piccole modifiche al modo in cui il microcontrollore elabora i dati, afferma Smith, il gruppo potrebbe ridurre la tensione richiesta a 1,8 volt, estendendo così la portata a circa cinque metri.
L'ultimo prototipo del team incorpora un sensore di luce, un sensore di temperatura e persino un sensore di inclinazione in un dispositivo senza batteria. I ricercatori stanno lavorando su come integrare il microcontrollore e l'antenna in un singolo chip che sarebbe più facile da installare sul campo. Nel frattempo, hanno sviluppato una dimostrazione visiva di quanta energia un'antenna RFID può ottenere da un lettore: l'hanno usata per alimentare la lancetta dei secondi su un orologio da polso.
È sorprendente per le persone che questa forma invisibile di energia, le onde radio, possa effettivamente far muovere la lancetta di un orologio, afferma Smith. E un singolo tick di una seconda lancetta, dice Smith, richiede la stessa energia dell'invio di un bit di dati dal suo sensore.