Wetenschappers hebben een prototype Wi-Fi-chip gemaakt die zo energiezuinig is dat ‘ie op een microbatterij zo’n tien jaar mee kan gaan. Een volgende stap is energie tappen uit bestaande radiogolven, zodat de tag nog veel langer kan functioneren.
De ontwikkelde Wi-Fi-chip is een processor plus radio in één verpakking, ter grootte van een postzegel. Het heeft een bereik van zo’n vijftig meter en kan een datadoorvoersnelheid halen van maximaal 300 Kbps (kilobit per seconde). Dat is een schamele snelheid in de ogen van veel hedendaagse ict-gebruikers, maar is een flinke datadoorvoer voor de diverse sensors en kleine apparaten die het internet of things (IoT) vormen.
Zuinig dankzij reflectie
Uitzonderlijker dan het formaat is het lage energieverbruik: tot wel tienduizend keer minder dan reguliere Wi-Fi-radio’s. ‘HitchHike is het eerste zelfvoorzienende Wi-Fi-systeem dat data kan verzenden met een verbruik van slechts enkele micro-Watts, bijna nul’, verklaart onderzoeker Pengyu Zhang die lid is van het Stanford University-team dat deze Wi-Fi-hardware ontwikkelt. Hun werk is vorige maand gepresenteerd op de SenSys 2016-conferentie voor ingebedde sensors.
Helemaal bijzonder is de manier waarop deze Wi-Fi-chip zijn lage energiebehoefte bewerkstelligt. De draadloze tag bereikt zijn extreem lage verbruik door ‘mee te liften’ op bestaand Wi-Fi-verkeer. De geïntegreerde Wi-Fi-radio is namelijk meer een reflector dan een volwaardige tweeweg zender/ontvanger.
HitchHike is een variant op het zogeheten backscatter radio, waarbij reeds rondgaande signalen worden gereflecteerd. Passieve en semipassieve rfid-tags kunnen dit ook. In het geval van deze Wi-Fi-variant gebeurt de reflectie met een lichte aanpassing zodat er een nieuw signaal ontstaat, met minimale inspanning. De door te geven IoT-data worden dus ingebed in bestaande Wi-Fi-packets.
Aangepast en compatibel
De ontwerpers aan de Stanford University noemen hun techniek hiervoor ‘code word translation’. Daarbij vertaalt de HitchHike-chip de opgevangen signalen, bestaande uit standaard codewoorden voor draadloze communicatie, in een eigen formaat. Vervolgens worden deze aangepaste signalen weer uitgezonden, maar dan op een ander kanaal. Dit laatste dient om storing te voorkomen met de originele Wi-Fi-signalen, van en voor andere apparatuur op het draadloze netwerk. De onderzoekers werken nog aan een manier om eventuele storing op zo’n ander kanaal te voorkomen.
Ondanks dat het een nieuwe ontwikkeling betreft, is het wel volledig compatibel met bestaande standaarden en apparatuur. Het valt gewoon in de huidige vorm te gebruiken met bestaande Wi-Fi-netwerken en Wi-Fi-apparaten, ‘zonder aanpassing of aanvullende apparatuur’, aldus Zhang. ‘Je kunt het nu gebruiken met een mobiele telefoon en je standaard Wi-Fi-router.’
Overal jarenlang functioneren
Het extreem lage energieverbruik maakt het volgens de wetenschappers mogelijk om met een kleine knoopcelbatterij wel tien jaar lang operationeel te zijn. Deze lange levensduur valt nog verder op te rekken door miniscule lichtpanelen te gebruiken, die genoeg hebben aan gewoon daglicht. In theorie zou zelfs de elektromagnetische energie van radiosignalen in de directe omgeving kunnen worden afgetapt om daarmee de energie-efficiënte signaalreflectie te verzorgen. Dan zou een dergelijke Wi-Fi-chip zonder batterij kunnen werken en meegaan tot de hardware fysiek versleten is.
De Stanford University stelt met HitchHike een fundamentele barrière voor het IoT te slechten. ‘Tot op heden is er nog geen manier om allerlei soorten apparaten draadloos en via het internet te beheren, omdat er geen tweeweg radio is die slim en klein genoeg is om dit mogelijk te maken’, begint het persbericht van afgelopen maand. De ontwikkelde HitchHike-technologie brengt hier verandering in en kan het IoT letterlijk wijdverbreid maken. Het duurt volgens de wetenschappers nog drie tot vijf jaar voordat de chips in draadloze apparaten kunnen worden verwerkt.
Een voorbeeld van een praktische toepassing van HitchHike is als hartslagsensor. Het hieronder geshowde prototype lift mee op het Wi-Fi-signaal van een standaard zender (rechts) om de waargenomen hartslag door te geven aan een ontvanger (de MacBook Pro links).
