低耗能“芯片”打通物聯(lián)網(wǎng)關(guān)節(jié)

李雨蒙

如今“智能”一詞遍布世界各處，當(dāng)智能化時(shí)代到來，智能農(nóng)場就能依靠傳感器得到每天土壤的狀況、玉米的漲勢或是家禽的健康狀況。理想中的智能城市能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測每一天街道的污染和噪音水平。倉庫的智能貨物可以自行告訴機(jī)器人用怎樣的方法將它們儲(chǔ)存到預(yù)定位置?？墒牵@些工作都需要解決一個(gè)問題，就是如何讓數(shù)千個(gè)傳感器跨越數(shù)百米準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。

這意味著首先要在物件里安裝芯片，而芯片間的通信需要電力、電網(wǎng)或電池供電將產(chǎn)生高額的成本且又復(fù)雜。近日，美國華盛頓大學(xué)的希亞姆·格拉科塔（Shyam Gollakota）及其同事提出了一種重新配置芯片的通信方式，使其幾乎無需電力就能工作。這種芯片采用反射的射頻信號來有效地遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)傳到一個(gè)樓房的任意角落。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電難題

研究團(tuán)隊(duì)表示：“多年來，人們一直在討論將連接性嵌入到日常的設(shè)備中去，例如洗衣粉、紙巾、咖啡杯，但是問題是成本和功耗難以達(dá)到要求。這一項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)首先能夠以最低的成本將連接性嵌入到日常設(shè)備的無線系統(tǒng)中?！笨梢哉f，無限傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間距離太遠(yuǎn)，或是通信距離消耗大量能量，一直是物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展緩慢的難題之一。有人曾想到利用太陽能，可是電池板面積有限，供電能力自然受限。還有許多奇葩方法，應(yīng)用更加困難。

而Gollakota博士研究團(tuán)隊(duì)的芯片使用了一種成為遠(yuǎn)程后向散射的技術(shù)來與其他設(shè)備通信。其好處就在于，傳感器可以在極低的功耗下運(yùn)行，其能量可由低廉、超薄、可印刷的電池或是周圍的電源供應(yīng)，不再需要厚重的電池。而不同于從零開始建立信號，芯片可以有選擇性地反射空間中通過的射頻信號，來建立新的信號。研究人員表示：“這就像你嘗試在一堵厚墻后面傾聽一段對話，你只能聽到微弱的聲音，可聽不清具體在說些什么。而利用這項(xiàng)技術(shù)，我們能夠基本上解碼這些單詞，了解信息內(nèi)容?！?/p>

其實(shí)早在去年，Gollakota 博士和同事就曾發(fā)布一項(xiàng)后向散射技術(shù)。將智能手表、手機(jī)等智能設(shè)備中經(jīng)常使用的藍(lán)牙創(chuàng)建WiFi信號，從而實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)協(xié)議的通信，因此成為“Interscatter”。所產(chǎn)生的應(yīng)用，比如隱形眼鏡系統(tǒng)，可以后向散射來自智能手表的藍(lán)牙信號，從而產(chǎn)生可以和手機(jī)通信的WiFi 信號。植入大腦的接口，可以通過藍(lán)牙耳機(jī)與智能手機(jī)進(jìn)行通信。信用卡可以通過后向散射與手機(jī)互相通訊。而此次芯片的發(fā)明再一次擴(kuò)大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w范圍，而且極大地降低了能耗和成本。

這個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分：一個(gè)是發(fā)出無線電信號源，一個(gè)是編碼反射信號信息的傳感器，另外一個(gè)就是價(jià)格昂貴的解碼信息接收器。當(dāng)傳感器放置在信號源和接收器之間的時(shí)候，系統(tǒng)能夠傳輸數(shù)據(jù)的距離可達(dá)475米。當(dāng)傳感器靠近信號源放置的時(shí)候，接收器可以在2.8千米之外解碼信息。

9月15日，在美國邁阿密舉行的計(jì)算大會(huì)上，Gollakota Shyam博士及其同事發(fā)表論文，詳細(xì)闡述這項(xiàng)技術(shù)。Gollakota博士的此次發(fā)明利用了LoRa技術(shù)，與WiFi相似之處是，計(jì)算機(jī)能夠通過無線電波聯(lián)通，不同之處在于，LoRa 不會(huì)輕易地被墻壁、家居或是其他遮擋物擋住信號。芯片可在離射頻源475米的地方建立信號，然后將信號發(fā)射到同樣遠(yuǎn)離射頻源相應(yīng)距離的地方。換句話說，就是設(shè)備可以穿過41間辦公室或者3層的樓房將數(shù)據(jù)傳送出去。

LoRa 技術(shù)

LoRa是“LongRang”的意思，是一種低功耗長距離無線通信技術(shù)，主要面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）或M2M等應(yīng)用，是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）一種重要的無線技術(shù)。相比傳統(tǒng)FSK調(diào)制技術(shù)，LoRa在低速率運(yùn)行條件下的功耗或通信距離近10倍優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。在密集的城市環(huán)境和市內(nèi)，LoRa基站具有較強(qiáng)的穿透能力。在空曠郊區(qū)可以達(dá)到15-30KM，甚至更遠(yuǎn)。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種長距離通信技術(shù)，隨著物聯(lián)網(wǎng)從近距離到遠(yuǎn)距離的發(fā)展，必將成為核心技術(shù)支持。目前，Cisco、IBM、Semtech、Microchip等正在積極推廣LoRa技術(shù)。

為了克服種種技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)引入了一種名為“啁啾調(diào)制（chirp spread modulation）”的新型調(diào)制方法。通過多個(gè)頻率傳播反射信號，即使在有噪音的情況下，LoRa 信號也可以輕松地與背景噪音區(qū)分開來。實(shí)驗(yàn)中，中心發(fā)射器被連接一塊大電池或是電源，開始發(fā)送載波頻率，同時(shí)傳感器上的芯片完成了信息灌輸?shù)倪^程。接通天線后，載波將達(dá)到每秒數(shù)百萬次的傳輸速度。這種芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)載回接收器的全過程只需要3個(gè)微小、低成本的電子開關(guān)就可以順利完成。

據(jù)Gollakota 博士估算，這種芯片的成本不會(huì)超過20美分。而他們所產(chǎn)生的信號在數(shù)百米的范圍內(nèi)都能被檢測到。而它們所產(chǎn)生的能耗僅僅是20微瓦，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)手表電池運(yùn)行10余年的耗電量。實(shí)際上，芯片也可以獲取周圍的能量進(jìn)行傳輸。Gollakota 博士和同事就曾試驗(yàn)點(diǎn)亮一個(gè)小型二極管燈泡，所產(chǎn)生的電能就足夠運(yùn)行芯片。這對于未來在數(shù)10億日常設(shè)備連接的物聯(lián)網(wǎng)中，是巨大的技術(shù)突破。

技術(shù)應(yīng)用

早期的芯片都運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而這次Gollakota 團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將芯片植入隱形眼鏡和人類皮膚中。芯片可以從病人的輪床、呼吸管再到聽診器，一路追蹤病人的健康指標(biāo)。去年，Gollakota博士發(fā)布了利用傳統(tǒng)WiFi 的芯片設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)他就說過，芯片可以成為一次性藥物輸送設(shè)備，病人可以觀看手機(jī)，就可以了解藥物處理哪些時(shí)候變得緩慢。還有，公交站臺(tái)的廣告牌、十字路口的紅綠燈可以發(fā)送好玩的數(shù)字內(nèi)容，提示行人過馬路是否安全，甚至是人們平常所穿的T恤衫都可以通過你的手機(jī)或汽車，與你交流，而人類的智能生活才剛剛開始。

編譯自《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》

（責(zé)任編輯 姜懿翀）endprint