Alternativa energikällor: Sol, RFID och vibrationer Batterier är inte den enda möjliga energikällan för trådlösa sensornät. Solceller kommer omedelbart på tanke. - De är tacksamma för utomhusbruk, men de fungerar inte inomhus, där är ljusenergin bara en 1500-del av utomhusljuset, säger Adam Dunkels. Solenergin kan också vara ojämnt fördelad, en del sensorer kan hamna i skuggan och ta slut fortare. Fördelen är att solceller kan kombineras med batterier eller stora kondensatorer för att ladda sensorn medan den vilar. Det har gjorts försök med RFID, där externa radiovågor laddar sensorerna. Problemet är att RFID fungerar bäst med riktade antenner, vilket inte alltid gör sig med slumpmässigt utspridda sensorer. Mer exotiska idéer förekommer också. Inomhus är vibrationsenergi en möjlig källa, det finns 20 gånger mer vibrationsenergi än ljusenergi inomhus. - Men vibrationsdrivna generatorer måste i regel kalibreras för en viss vibrationsfrekvens. De brukar också att slitas ut fort, berättar Adam Dunkels. Bränsleceller finns också på agendan, liksom mikroskopiska vindkraftverk som går på luftdrag. Det har till och med förekommit forskning på mikroskopiska robotar som äter socker. Men tills vidare är batterier det bästa alternativet.

Smart damm. Uttrycket myntades av Kris Pister på Berkeley 1994. Han tänkte sig sensorer inte mycket större än gruskorn, en kubikmillimeter stora, som kunde spridas ut över ett område, mäta ljus, temperatur, fuktighet, vibrationer med mera, samla in och trådlöst distribuera informationen till en mottagare utan att varenda sensor behöver läsas individuellt. De möjliga tillämpningarna är oändliga.

Så ser utopin ut. Berkeley-projektet avslutades 2001, men drivs vidare av Intel (under namnet Mote) och Kris Pisters egen firma Dust Networks. På Berkeley fick man fram små prototypkretsar, ridandes på jämförelsevis gigantiska knappbatterier som med icke önskvärd tydlighet illustrerade var flaskhalsen fanns.

Den stora energiboven är radion. I Sverige sker forskningen kring smarta sensornät på en mer praktisk nivå, på forskningsinstitutet Sics där man provar tillämpningar för att hitta problemen, och på Eislab vid Luleå tekniska universitet där man byggt sensorplattformen Mulle av standardkomponenter. Mulle använder Bluetooth, Sics har en enklare 868 MHz-radio, men resultatet är detsamma. Radion drar betydligt mer ström än resten av sensorn totalt.

- Mätt i energi motsvarar en skickad bit data 3000 instruktioner i sensorns processor, säger Adam Dunkels på Sics.

Slå av radion
Han påpekar också det intressanta faktum att en radio som är på och bara lyssnar drar marginellt mindre än en radio som skickar data. Att låta radion vara på hela tiden är med andra ord inte ett alternativ i trådlösa sensornät.

Men om radion inte är på, hur ska då sensorerna kunna skicka data vidare mellan sig för vidarebefordring till mottagaren? En lösning är att alla sensorer är klocksynkade och slår på radion vid överenskomna tidpunkter. En annan är att man har en mycket enklare och strömsnålare radio som bara fungerar som av/på-signal för sändningsradion.

Från den positiva sidan är datainsamling och beräkningskraft inte ett energiproblem, så man kan uppnå besparingar dels genom att samla en mängd data innan man skickar den, dels genom att aggregera data.

- Om man till exempel mäter temperatur över ett område och bara är intresserad av medelvärdet kan man låta en sensor samla in värdet för alla, och beräkna ett medelvärde innan man skickar det vidare, funderar Adam Dunkels.

Vila inte nog
På Luleå tekniska universitet arbetar man framför allt med att få ner energiåtgången för Mulle-systemet i viloläge.

- Vi kan väcka systemet, ta ett sampel och gå ner i viloläge igen på 0,3 ms. Den totala energiåtgången för mätningen är mindre än 3 mikrojoule. Om man bara behöver göra en mätning per minut kan man nästan säga att sensorn är i konstant viloläge, anser Jonny Johansson på Luleå tekniska universitet.

Ett laddbart 3.7 V Lithium-Polymer batteri med samma mått som plattformen och en kapacitet på 130 mAh ger en total systemstorlek på 25x23x10 mm. Då systemet idag drar 0,4 mA i viloläge ger detta en driftstid på ca 300 timmar.

- Men även med systemet i viloläge drar spänningsreferenserna till AD-omvandlaren, förstärkaren och Bluetooth-enheten runt 0,3 mA. Om systemet ändå ska ligga och sova kan man lika gärna stänga av strömmen helt till dessa delar, och då är man nere i under hundra mikroampere, förklarar Jonny Johansson.

Om större batterivolym är acceptabel kan man uppnå en batteritid på flera år. Även processorn skulle kunna stängas av, det enda som absolut måste vara igång är sensorn och klocksignalen.

- Man kan till och med bygga en sensor-asic med gränsvärdesnivåer, så att den bara väcker processorn om den har något att berättar, funderar Jonny Johansson.

Interruptspråk bättre
Ett problem man stött på i Luleå när de olika delarna ska slås av och på är att realtidsoperativsystemen inte ger särskilt bra stöd för denna sorts funktioner. Därför har man utvecklat det egna programspråket/operativsystemet Timber.

- Timber är händelsestyrt, det saknar en grundloop. Man kan säga att Timber bara är interrupthantering, fast med ett högnivåspråks skydd och hjälp för programmeraren, berättar Johan Nordlander som arbetar med språket.

Ytterligare ett energirelaterat mjukvaruproblem uppstår när data ska vidarebefordras. För att du inte ska behöva hålla reda på den exakta positionen för varje sensor måste sensorerna kunna bilda ad-hoc-nät och kunna vidarebefordra informationen via flera hopp till en uppsamlingspunkt.

- Man kan välja att alltid skicka den energisnålaste vägen. Men risken är då att all data går genom en sensor som då får slut på batteri mycket snabbare. En bättre lösning kan vara att fördela lasten så jämnt som möjligt mellan sensorerna, säger Adam Dunkels.

Strömförsörjningen ställer till svåra problem i sensornät, men Adam Dunkels ser dem ändå som intressanta och lösbara. Detsamma gör Jonny Johansson.

- Jag tillhör dem som varit skeptiska, men jag har insett att det faktiskt går att nå de låga effektförbrukningsnivåer som behövs.

Elias Nordling