低耗能“芯片”打通物联网关节

作者:编译/《中国民商》记者 李雨蒙

低耗能“芯片”打通物联网关节

如今“智能”一词遍布世界各处,当智能化时代到来,智能农场就能依靠传感器得到每天土壤的状况、玉米的涨势或是家禽的健康状况。理想中的智能城市能够实时监测每一天街道的污染和噪音水平。仓库的智能货物可以自行告诉机器人用怎样的方法将它们储存到预定位置。可是,这些工作都需要解决一个问题,就是如何让数千个传感器跨越数百米准确地传输数据。

这意味着首先要在物件里安装芯片,而芯片间的通信需要电力、电网或电池供电将产生高额的成本且又复杂。近日,美国华盛顿大学的希亚姆·格拉科塔(Shyam Gollakota)及其同事提出了一种重新配置芯片的通信方式,使其几乎无需电力就能工作。这种芯片采用反射的射频信号来有效地远距离传输数据,可以将数据传到一个楼房的任意角落。

物联网节点供电难题

研究团队表示:“多年来,人们一直在讨论将连接性嵌入到日常的设备中去,例如洗衣粉、纸巾、咖啡杯,但是问题是成本和功耗难以达到要求。这一项技术的出现首先能够以最低的成本将连接性嵌入到日常设备的无线系统中。”可以说,无限传感网络的节点之间距离太远,或是通信距离消耗大量能量,一直是物联网进展缓慢的难题之一。有人曾想到利用太阳能,可是电池板面积有限,供电能力自然受限。还有许多奇葩方法,应用更加困难。

而Gollakota博士研究团队的芯片使用了一种成为远程后向散射的技术来与其他设备通信。其好处就在于,传感器可以在极低的功耗下运行,其能量可由低廉、超薄、可印刷的电池或是周围的电源供应,不再需要厚重的电池。而不同于从零开始建立信号,芯片可以有选择性地反射空间中通过的射频信号,来建立新的信号。研究人员表示:“这就像你尝试在一堵厚墙后面倾听一段对话,你只能听到微弱的声音,可听不清具体在说些什么。而利用这项技术,我们能够基本上解码这些单词,了解信息内容。”

其实早在去年,Gollakota 博士和同事就曾发布一项后向散射技术。将智能手表、手机等智能设备中经常使用的蓝牙创建WiFi信号,从而实现跨技术协议的通信,因此成为“Interscatter”。所产生的应用,比如隐形眼镜系统,可以后向散射来自智能手表的蓝牙信号,从而产生可以和手机通信的WiFi 信号。植入大脑的接口,可以通过蓝牙耳机与智能手机进行通信。信用卡可以通过后向散射与手机互相通讯。而此次芯片的发明再一次扩大了数据传输的覆盖范围,而且极大地降低了能耗和成本。

这个系统分为三个部分:一个是发出无线电信号源,一个是编码反射信号信息的传感器,另外一个就是价格昂贵的解码信息接收器。当传感器放置在信号源和接收器之间的时候,系统能够传输数据的距离可达475米。当传感器靠近信号源放置的时候,接收器可以在2.8千米之外解码信息。

9月15日,在美国迈阿密举行的计算大会上,Gollakota Shyam博士及其同事发表论文,详细阐述这项技术。Gollakota博士的此次发明利用了LoRa技术,与WiFi相似之处是,计算机能够通过无线电波联通,不同之处在于,LoRa 不会轻易地被墙壁、家居或是其他遮挡物挡住信号。芯片可在离射频源475米的地方建立信号,然后将信号发射到同样远离射频源相应距离的地方。换句话说,就是设备可以穿过41间办公室或者3层的楼房将数据传送出去。

LoRa 技术

LoRa是“LongRang”的意思,是一种低功耗长距离无线通信技术,主要面向物联网(IoT)或M2M等应用,是低功耗广域网(LPWAN)一种重要的无线技术。相比传统FSK调制技术,LoRa在低速率运行条件下的功耗或通信距离近10倍优于传统技术。在密集的城市环境和市内,LoRa基站具有较强的穿透能力。在空旷郊区可以达到15-30KM,甚至更远。LoRa作为低功耗广域网(LPWAN)的一种长距离通信技术,随着物联网从近距离到远距离的发展,必将成为核心技术支持。目前,Cisco、IBM、Semtech、Microchip等正在积极推广LoRa技术。

为了克服种种技术难题,研究团队引入了一种名为“啁啾调制(chirp spread modulation)”的新型调制方法。通过多个频率传播反射信号,即使在有噪音的情况下,LoRa 信号也可以轻松地与背景噪音区分开来。实验中,中心发射器被连接一块大电池或是电源,开始发送载波频率,同时传感器上的芯片完成了信息灌输的过程。接通天线后,载波将达到每秒数百万次的传输速度。这种芯片将数据转载回接收器的全过程只需要3个微小、低成本的电子开关就可以顺利完成。

据Gollakota 博士估算,这种芯片的成本不会超过20美分。而他们所产生的信号在数百米的范围内都能被检测到。而它们所产生的能耗仅仅是20微瓦,这是一个标准手表电池运行10余年的耗电量。实际上,芯片也可以获取周围的能量进行传输。Gollakota 博士和同事就曾试验点亮一个小型二极管灯泡,所产生的电能就足够运行芯片。这对于未来在数10亿日常设备连接的物联网中,是巨大的技术突破。

技术应用

早期的芯片都运用于医学领域,而这次Gollakota 团队计划将芯片植入隐形眼镜和人类皮肤中。芯片可以从病人的轮床、呼吸管再到听诊器,一路追踪病人的健康指标。去年,Gollakota博士发布了利用传统WiFi 的芯片设计,当时他就说过,芯片可以成为一次性药物输送设备,病人可以观看手机,就可以了解药物处理哪些时候变得缓慢。还有,公交站台的广告牌、十字路口的红绿灯可以发送好玩的数字内容,提示行人过马路是否安全,甚至是人们平常所穿的T恤衫都可以通过你的手机或汽车,与你交流,而人类的智能生活才刚刚开始

编译自《经济学人》

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