הפוטנציאל הבלתי צפוי של גלי רדיו Ambient

בכל יום, האוויר סביבנו מלא זרם קבוע של אותות תדר רדיו (RF) רדיו ותחנות שידור טלוויזיה, תחנות בסיס סלולרי, נתבי Wi-Fi, תקשורת לווינית, ואפילו מכשירי IoT המציפים את הסביבה שלנו עם אנרגיה אלקטרומגנטית.במשך עשרות שנים, אנרגיה זו נחשבה לבעיית ההתערבות הטובה ביותר ובגרוע מכל בזבוז בלתי נראה.

המדע מאחורי אנרגיית גלי הרדיו של Ambient Radio Wave Energy

גלי רדיו Ambient הם תת-קבוצה של הספקטרום האלקטרומגנטי, בדרך כלל החל ממספר קילוולץ לתוך תדרי הג'יגההרצ'רץ בשימוש על ידי 4G, 5G, ו-Wi-Fi. גלים אלה נוצרים בכל פעם שזרם משתנה זר זורם דרך אנטנה, והם מפיץ דרך החלל במהירות האור.

המרת אנרגיית RF ברמה נמוכה זו לחשמל הנוכחי (DC) הוא האתגר המרכזי.התהליך מתחיל עם אנטנה, אשר לוכדת את השדה האלקטרומגנטי הניתוק ומייצרת זרם משתנה נוכחי (AC) במסופים שלה. כי האות הנכנס הוא גל רדיו, המתחים החלופים בתדר השידור המקורי - מגלוץ או ג'ר, בדרך כלל מצורף למתח מכווץ זה, או מתואם את ה-C.

העיקרון הבסיסי מושרש בפיסיקה של אינדוקציה אלקטרומגנטית ותיקון. במונחים קלאסיים, רכיב השדה החשמלי של גל הרדיו מפעיל כוח על אלקטרונים חופשיים במוליכים האנטנה, תוך גרימת מתח.המפתח ליעילות הוא אי התאמה: האנטנה של IoT חייב להיות מתוכנן כדי לשחזר את תדירות האות החזק ביותר, ואת המבודד חייב להיות מותאם לאנטנות של פחות מצמצם את הלחץ (למשל, כדי להפחית את החמצן המתאים ביותר) כדי להפעיל רק מיקרו-Fi רב-מחדש של כוח-מחץ נמוך יותר, לדוגמה, כגון, לעתים קרובות, כדי להפחית את הפחתת כוח-מחץ קטן יותר מאשר microabatbit-מחדש של בידוד (למשל, לדוגמה, לדוגמה, כדי להפחית את עוצמת הלחץ של בידוד של פחות או יותר) כדי להפחית את עוצמת הלחץ של פחות או יותר מאשר microbit) כדי להפחית את עוצמת הלחץ של עוצמה גבוהה של בידוד של פחות מצמצם את עוצמת הלחץ של בידוד (למשל, כדי להפחית את עוצמת לחץ חשמלי) כדי להפחית את עוצמת הלחץ של פחות מצמצם את עוצמת הלחץ של פחות או יותר מאשר microbit-Fi-Fi-מחדש של פחות או יותר מאשר פחות או יותר מצמצם את עוצמת לחץ גבוה יותר מאשר רק כדי להפחית את עוצמת לחץ גבוה יותר מצמצם את עוצמת הלחץ של בידוד של בידוד (למשל

כיצד פועל ההרחבה אנרגיה RF Ambient RF

היתרונות העיקריים של רכז אנרגיה RF

  • (FLT:0) Antenna:FLT:1 הרכיב הקדמי הממיר גלים אלקטרומגנטיים אותות חשמליים. עבור קצירת הסביבה, רוחב פס רחב ורווח מתון הם לעתים קרובות לפנים על עיצובים פס צר.אנטנות פטך, אנאנטנות דיפול מודפס, ואפילו מבנים fractal הם נפוצים. A תוכנן היטב יכול ללכוד אנרגיה מלהקות מרובות בו זמנית, כגון M-900 והלהקה I בשימוש על ידי GHz.
  • (FLT:0)Impedance Matching Network:FearLT:1) רשת פסיבית (לעתים קרובות מעגל LC או stub) המבטיחה העברת חשמל מקסימלית מהאנטנה למחזרת תדרי RF, אי-התאמה לא מתאימה יכולה לגרום להשתקפות אות משמעותית, תוך שימת התאמה מתאימה לעיגולים המתואמים את עצמם על בסיס תדירות מתקרב הם תחום פעיל של מחקר.
  • (FLT:0)Rectifier:FLT:1 הלב של הקציר. Schotky diodes הם הבחירה הקלאסית בגלל הירידה בלחץ נמוך שלהם (בדרך כלל 0.15-0.4 V) ומהירות המעבר מהירה. עבור יישומים אולטרה-נמוך, CMOS מותאם אישית באמצעות אפס-תרסים יכול להפחית הפסדים נוספים.
  • (FLT:0) אחסון אלמנט: FLT:1 כי כוח RF מבולגן הוא לסירוגין ונמוך, אנרגיה מנוסחת יש לצבור לאורך זמן. Supercapacitors (כפול כפול שבבים) הם אידיאלי עבור יישומים רבים כי הם סובלים מיליוני מחזורי טעינה ללא השפלה.
  • (FLT:0) Power Management Circuit:FLT:1 , A DC-DC ממירר או buck-boost הרגולטור מבטיח כי האנרגיה המאוחסן מסופקת במתח שניתן יהיה לספק (בדרך כלל 1.8 V, 3.3 V, או 5 V) המעגל הזה גם לפקח על רמת האנרגיה ויכול לחזק את העומס רק כאשר המטען שנצבר - ניתוח חובה מצטבר עבור זה מתעורר כל כמה דקות.

תקציבי חשמל טיפוסיים

רמת הכוח הזמינה גלי רדיו מסובכים נמוכה מאוד בהשוואה למזג אווירי או תרמי. בסביבה ביתית טיפוסית רחוק מכל משדר חזק, הכוח הזמין עשוי להיות בטווח של 1-10 מיקרו-10 μW. חיישן שמושך 100 מיקרו-ואט בעוד פעיל אך שינה עבור 99% מהזמן יכול לפעול מקנה אנרגיה מינימלית, בתנאי אחסון אנרגיה נאותה של 5 מיקרו-F, כלומר, לאחר מכן, כדי לייצר מנה אחת של מים קצרים וטמפרטורה.

יישומים ב Smart Home Technology

ההבטחה של מכשירים ביתיים חכמים מופעלים כבר נעה מטיפוסי מעבדה למוצרים מסחריים מוקדמים.היישומים המשכנעים ביותר הם אלה הדורשים רק תקשורת מזדמן ויכולים לסבול קוצר ראייה קצר - למעשה הפרופיל של חיישנים רבים בבית.

חיישן סביבתי חזק

ה-Thermostats, צגים לחות, חיישני איכות אוויר, וחיישנים קלים יכולים להיות ממוקמים בכל מקום ללא שינויים בגלגל או סוללה.לדוגמה, חיישן מגע חלון מופעל מקצר אנרגיה מ-900 אותות MHz הנפלטים על ידי מקרול תאי סמוך או מציר Wi-Fi הביתי עצמו. כאשר החלון פותח, החיישן מעביר אות למרכז האוטומציה הביתית רק בגלל שדרישה נמוכה של כוח אדם.

תוצאות וגילוי תנועה

חיישנים פסיביים אינפרא אדום (PIR) הם מרכיב עיקרי של תאורה חכמה וביטחון, אך הם דורשים מקור חשמל. חיישן RF-הארוויץ PIR יכול להיות מותקן בפינה של התקרה, המופעל על ידי האנרגיה המצטברת של מכשירים אלקטרוניים סמוכים.מתקדמים בקרים אולטרה-עוצמה PIR, כגון אלה מ-FLT:0Texas InstrumentsFLT1, לאפשר הפעלה של כמה מיקרו-וואט, תוך שמירה על רגישות.

בוטו אדום ביתי חכם ופסים

מתגי אור אלחוטיים ללא סוללה הם אחד היישומים המסחריים המוקדמים ביותר במקום להשתמש באנרגיה ⁇ אלקטרית מעיתונות (כמו תקן אנאוצ'אן), עיצובים חדשים יותר מאנרגיה RF מסביבה הביתית כדי לכפות משדר קטן.משתמש לוחץ על מתג מכני מפעיל שחרור אנרגיה מאוחסן, אשר שולח חבילה של 2.4 GHz למרכז.

מעקב אחר נכסים ותנאי

מעבר לנחמה צרכנית, קצירת אנרגיית RF מתכנסת חשמל למעקב אחר פריטים יקרי ערך בתוך הבית - כגון מפתחות, ארנקים או בקרה מרחוק. תגים אלה משדרים משואה תקופתית או מגיבים לקורא, והם אוספים מספיק אנרגיה מהאותות של הקורא עצמו (תקשורת אחורית) או מרקע RF כדי להישאר מבצעי ללא הגבלת זמן.

היתרונות של אנרגיה גלי רדיו שאפתנית

  • (FLT:0) אלימינציה של בטריקים: FIRLT:1) היתרון היחיד המשפיע ביותר.בטריקים מכילים חומרים רעילים, מתפתלים לאורך זמן, ודורשים מהם להסיר אותם ממיליוני מכשירים ביתיים חכמים קטנים באופן דרמטי מפחית עלויות e-waste ותחזוקה.
  • (FLT:0)Wire-Free Setup:FLT:1 מכשירים המופעלים על ידי RF מתחרה לא צריך חיווט קשה ולא החלפת סוללות תקופתיות.זה מאפשר חיישנים רטרוfitting מבנים היסטוריים, קירות קונקרטיים, או חללי תקרה בלתי נגישים.
  • (FLT:0) אוטונומיות אמיתית: FLT:1 פעם מותקנת, מכשיר מופעל על ידי הסביבה יכול לפעול במשך עשרות שנים אם סביבת RF נשארת יציבה.אמינות זו אידיאלית עבור אזעקות עשן, גלאי פחמן חד תחמוצת, ומכשירי בטיחות אחרים שיש לעבוד ללא התערבות אנושית.
  • (FLT:0) רגישות סביבתית: אנדרט 1 (Ral ReveFLT:1) אנרגיה קצירת אשר אחרת בזבזה התאמות עם עקרונות כלכלה מעגלית.זה מפחית את טביעת הרגל פחמן הקשורה לייצור סוללות ולוגיסטיקה חלופית.
  • (FLT:0) ניכוי מעל הזמן: FLT:1 למרות העלות הראשונית של יבול RF IC ואנטנה היא מעט גבוה יותר מאשר חיבור סוללה פשוט, העלות הכוללת של צינורות בעלות מכיוון שאין הוצאות סוללות חוזרות או עבודה לשינויים.

אתגרים ומכשולים טכניים

למרות הבטחתו, קצירת אנרגיה RF אינה כדור כסף.הטכנולוגיה מתמודדת עם כמה מכשולים בסיסיים המגדירים כיום את אימוץה הנרחב.

הכחדת אנרגיה נמוכה

צפיפות הכוח הזמינה ממקורות הסביבה היא נמוכה מאוד. בבית פרברי טיפוסי, רחוק מכל מגדל שידור, כוח RF הכולל של הקציר עשוי להיות פחות מ 1 מיקרו-W.זה פקודות של גודל מתחת למה שנדרש כדי לכפות מכשיר זרימה רציף או מנוע.גם עם רכיבה על אופניים חובה, יישומים רבים דורשים אופטימיזציה זהירה של הקציר והעומס.

תדירות-Specific Harvesting

רוב יבולי RF מצופים נועדו עבור להקות תדר ספציפיות שבו עוצמת האות היא הגבוהה ביותר.עם זאת, התדרים הדומיננטיים משתנים על ידי מיקום ואפילו על ידי זמן של יום. במרכז העיר, להקה סלולרית (700-900 MHz) עשוי להיות חזק יותר; בבית כפרי, רדיו FM (88-108 מהרץ) או טלוויזיה (470-700 מ"מ) עשויים לשלוט.

המונחים: Signal Variability

סביבת RF הסביבה אינה סטטית.אנשים נעים, מכשירים מסתובבים ומחוצה לה, ושינויים בעומס רשת יכולים לגרום טיפות חדות בכוח זמין. A Harvester שעובד טוב בצהריים עלול להיכשל בחצות כאשר פחות מכשירים פעילים.אחסון אנרגיה יכול להחליק תנודות קצרות טווח, אבל תקופות אנרגיה נמוכות ממושכת (למשל, במהלך רשת) יכול לרוקן אחסון ולגרום כשל.

קונסולת Constraints

רוב המדינות מגבילות את הכוח כי מכשירים אלחוטיים יכולים לפלט בכוונה, ואותות מתווך מוסדרים באופן דומה.בעוד שצירצים הם פסיביים ובדרך כלל לא מוסדרים, האנטנות והעיגולים לא חייבים לגרום להפרעה.יתר על כן, כמה להקות תדרים (למשל, תאי מורשה) אינם מיועדים לשימוש חוזר ציבורי, אם כי הקציר מותר בדרך כלל כל עוד המכשיר אינו משדר בהירות משפטית חשובה לפריסת מוצר.

עתיד Outlook וחדשנות

תחום קצירת אנרגיית RF מתפתחת במהירות, מונע על ידי הגידול הנפץ של IoT והמכשירים הביתיים החכמים.כמה מגמות מתעוררות מצביעות לעבר עתיד שבו חיישנים רבים באמת מופעלים על עצמם.

5G ו- מילימטר-וייב קציר

רשתות 5G משתמשים בתדרים גבוהים יותר (24 GHz ומעלה) ו- beamforming כדי לספק אותות אינטנסיביים ומכוון.בעוד אובדן נתיב הקידום גבוה יותר, צפיפות הכוח בלובבה העיקרית של קרן יכול להיות עשרות או אפילו מאות מיקרווואט לסנטימטר רבוע. רטנות קטנות המיועדות לתארי מ"מ אלה ואב יכול לקצור יותר כוח מאשר הנוכחי UHFers מחקר כבר הוכיחו 10-20 במרחק של 5G מבסיס של 5 מטרים.

מכשירים כפולים-Mode

מוצרים ביתיים חכמים רבים משלבים כעת יבול RF מתווך עם scavenger אנרגיה משנית - כגון תא סולארי קטן או גנרטור תרמואלקטרי - כדי להבטיח כוח אמין בתנאים שונים.לדוגמה, חיישן טמפרטורה אלחוטי עשוי לסמוך בעיקר על קצירת RF במהלך היום (כאשר שימוש ב-Wi-Fi הוא גבוה) ולעבור לשמש במהלך הלילה אם הסביבה של RF נחלשת.

שילוב עם Smart Home Hubs

מרכזי בית חכמים עתידיים (כמו הדור הבא אמזון אקו או גוגל נסבול) יכולים להיות נועדו לשדר משואה RF ייעודית בעוצמה נמוכה במיוחד עבור כוח חיישנים סמוכים.זה אות "מחוסמת" יהיה מבוקר וצפוי, מתן מקור אנרגיה עקבי לכל המכשירים התואמים בתוך כמה מטרים. גישה כזו כבר בשימוש על ידי כמה מערכות טעינה אלחוטיות הפועלות ב- sub-1GHz ISM.

עקבו אחרי Ultra-Low-Power Electronics

מיקרובקרים, חיישנים, ולוחמי רדיו ממשיכים לצרוך פחות כוח.מודרני (FLT:0 Bluetooth 5 SoCscioFLT:1 יכול לפעול עם זרם ממוצע של כמה מיקרו-דגמות כאשר ממוחזר חובה.

מסקנה

הפחתת גלי רדיו גמישים לחשמל מכשירים ביתיים חכמים מייצגת פתרון אלגנטי לאחת הבעיות המתמשכים ביותר של IoT: הצורך בכוח בר קיימא, ללא תחזוקה ללא תחזוקה, בעוד הטכנולוגיה כיום פועלת בצורה הטובה ביותר עבור כוח נמוך, חיישנים ממוחזרים בסביבות עשירות אות, להתחיל שיפורים שוטפים בעיצוב האנטנה, יעילות בנייה מחדש, אחסון אנרגיה ואלקטרוניקה אולטרה סגולה הם מרחיבים בהתמדה את היקף מעשי שלה כמו בתים חכמים באמת, אבל לא יעיל יותר ויותר, אבל לא יעיל יותר ויותר, אלא גם אנרגיה מתחדשת, אלא גם עבור חללים.