Zero-Power-Sensoren für reichweitenstarke Funktechnik

Redakteur: Michael Eckstein

Funk-Parasiten: Sensoren auf Basis der an der University of Washington entwickelten „Zero Power“-Technologie nutzen die Energie hochfrequenter, reflektierter Funkwellen für die Übertragung von Daten. Das Uni-Start-Up Jeeva Wireless will 2018 darauf basierende Produkte auf den Markt bringen.

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LoRa-Backscatter-Prototyp in Form eines Flexiblen Pflasters. Mit dem Prototypen lassen sich beispielsweise medizinische Daten des Trägers sammeln und sich innerhalb eines 440 Quadratmehter großen Hauses schnurlos übertragen.
LoRa-Backscatter-Prototyp in Form eines Flexiblen Pflasters. Mit dem Prototypen lassen sich beispielsweise medizinische Daten des Trägers sammeln und sich innerhalb eines 440 Quadratmehter großen Hauses schnurlos übertragen.
(Bild: Dennis Wise / University of Washington)

Forscher an der University of Washington (UW) in den USA haben eine Technologie entwickelt, die hochfrequente Funkwellen elektrischer Sender als Energiequelle nutzt, um eigene Informationen zu übertragen. So entsteht praktisch ein passives WLAN-System. Von den Wissenschaftlern entwickelte Geräte sind in der Lage, auf Basis rückgestreuter Signale (backscattered signals) Daten über Distanzen von bis zu 2,8 km zu übertragen.

Das „Backscatter System“ erzielte mit nur einem dedizierten Funksender eine zuverlässige Abdeckung in einem rund 440 Quadratmeter großen Haus, in einem Bürogebäude mit 41 Räumen sowie auf einem ca. 4.000 Quadratmeter großen Feld.

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Bis heute benötigen Geräte, die über weite Strecken Daten übertragen können, verhältnismäßig viel Energie. Baugruppen, die nur wenige Mikrowatt konsumieren, haben den Nachteil kurzer Reichweiten. „Wir haben jetzt gezeigt, dass wir beides kombinieren können: große Reichweiten bei gleichzeitig geringer Energieaufnahme“, freut sich Shyam Gollakota, Fakultätsleiter und Associate Professor an der im März 2017 gegründeten Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering an der University of Washington. „Das ist ein echter Game-Changer für viele unterschiedliche industrielle Applikationen.“

Das an der Uni entwickelte, passive WLAN-IC überträgt Daten mit 1 oder 11 Mbps und verbraucht dabei lediglich rund 15 oder 60 Mikrowatt. Damit benötigt es gut 10.000-mal weniger Leistung als aktuelle WLAN-Chipsets und etwa 1.000-mal weniger Energie als Bluetooth oder ZigBee.

Drei Komponenten, ein Ultra-Low-Power-System

Das System besteht aus drei Komponenten: Eine Quelle, die ein Funksignal aussendet. Sensoren, die ihre Informationen auf die Reflexionen des Signals modulieren. Und schließlich einen günstigen Standard-Empfänger, der die übertragenen Daten dekodiert. Wenn der Sensor zwischen Sender und Empfänger platziert wird, kann das System Daten über eine Distanz von 475 Meter übertragen. Ist der Sensor direkt neben dem Sender platziert, sind Reichweiten bis zu 2.8 Kilometern möglich.

Dazu arbeitet das System mit der recht neuen CSS-Modulationstechnik (Chirp Spread Spectrum, zu deutsch: Zirpen-Frequenzspreizung). Diese setzt zur Frequenzspreizung Chirp-Impulse ein – aufeinanderfolgende Sinussignale, deren Frequenz über die Zeit gleichmäßig zu- oder abnimmt. Das Verfahren ist als IEEE 802.15.4a normiert. Die Technik kommt meist zur drahtlosen Datenübertragung über kurze Distanzen zum Einsatz, zum Beispiel in WPAN (Wireless Personal Area Networks).

Durch das Spreizen der reflektierten Signale über multiple Frequenzen können die Wissenschaftler nach eigenen Angaben eine wesentlich höhere Empfindlichkeit erzielen und rückgestreute Signale über größere Distanzen übertragen sowie dekodieren – selbst wenn diese unterhalb des Rauschpegels liegen.

Sehr kostengünstige Funksensoren

Die Kommerzialisierung der Technik übernimmt Jeeva Wireless, eine Ausgründung des Entwicklerteams aus Elektroingenieuren und Computerspezialisten. Sie gehen davon aus, innerhalb der nächsten sechs Monate fertige Sensoren verkaufen zu können.

Durch das Ausnutzen des Rückstreueffekts sind die Forscher in der Lage, extrem günstige Funksensormodule zu entwickeln. In der Volumenproduktion soll eine Einheit nur zwischen 10 und 20 US-Cent kosten. Damit würden sich die Produkte gut zum Beispiel für Bauern eignen, die die Beschaffenheit ihrer Böden messen wollen.

Sie könnten ihre Felder flächendeckend mit den Sensoren bestücken, Parameter wie Feuchtigkeit, Temperatur und pH-Wert erfassen und darüber den optimalen Zeitpunkt für die Pflanzensaat oder die Bewässerung bestimmen. Andere denkbare Anwendungen sind Sensor-Arrays, die Luftverschmutzung, Lärmbelastung oder Verkehrsdichte in Smart Cities überwachen. Oder Medizinprodukte, die drahtlos und rund um die Uhr Zustandsinformationen beispielsweise von Herzpatienten übermitteln.

Seit langem wird über die Integration von Konnektivität in Alltagsprodukte gesprochen – zum Beispiel in Papierhandtuchrollen, Waschmittel oder Kaffeetassen. Doch Kosten und Stromverbrauch sind bislang die Show-Stopper in diesen Szenarien. Vamsi Talla, CTO von Jeeva Wireless, ist überzeugt, jetzt die passende Lösung vorweisen zu können: „Dies ist die erste Drahtlos-Technologie, die es ermöglicht, Konnektivität zu minimalen Kosten in alle denkbaren Produkte zu integrieren.“ Talla hat an der UW im Fachbereich Elektrotechnik promoviert und als Postdoktorand an der Allen School geforscht.

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