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物联网黑科技,不耗电能充电的wifi技术

发布时间:2016-6-12 9:40:59

       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…… 


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       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。  

      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。

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