Как обеспечить постоянное питание для множества датчиков в глубине океана? Исследователи Массачусетского технологического института (MIТ) создали подводную систему связи без батареи, которая использует энергию, близкую к нулю, для передачи данных датчика. Система может быть так же использована для мониторинга температуры моря, для изучения изменения климата и отслеживания морской жизни в течение длительных периодов времени, и даже для отбора проб воды на далеких планетах.
Пьезоэлектрические материалы использовались в микрофонах и других устройствах около 150 лет. Они производят небольшое напряжение в ответ на вибрации. Но этот эффект также обратим: подача напряжения вызывает деформацию материала. При помещении под воду этот эффект создает волну давления, которая проходит через воду. Именно обратимость позволяет разрабатывать очень мощные технологии подводного обратного рассеяния. Связь основана на предотвращении естественной деформации пьезоэлектрического резонатора в ответ на деформацию.
Новая подводная разработка от MIТ использует два ключевых явления. Один из них, называемый «пьезоэлектрическим эффектом», возникает, когда колебания в определенных материалах генерируют электрический заряд. Другой - «обратное рассеяние», метод связи, который передает данные, отражая модулированные беспроводные сигналы.
Передатчик посылает акустические волны через воду к пьезоэлектрическому датчику, который хранит данные. Когда волна попадает на датчик, материал вибрирует и сохраняет полученный электрический заряд. Затем датчик использует накопленную энергию для отражения волны обратно в приемник или он не отражает ее вообще.
Чередование отражения таким образом соответствует битам в передаваемых данных: для отраженной волны приемник декодирует 1; при отсутствии отраженной волны приемник декодирует 0.
«Если у вас есть способ передать 1 и 0, вы можете отправить любую информацию», - говорит соавтор Фадель Адиб, доцент в MIT Media Lab.
«По сути, мы можем общаться с подводными датчиками, основываясь исключительно на поступающих звуковых сигналах, энергию которых мы собираем».
Исследователи продемонстрировали свою систему пьезоакустического обратного рассеяния в бассейне MIT, используя ее для сбора измерений температуры и давления воды. Система была способна передавать 3 килобита в секунду точных данных от двух датчиков одновременно на расстояние 10 метров между датчиком и приемником.
В основе системы лежит погруженный узел, печатная плата с пьезоэлектрическим резонатором, блок сбора энергии и микроконтроллер. Датчик любого типа может быть интегрирован в узел путем программирования микроконтроллера. Акустический проектор (передатчик) и подводное устройство прослушивания, называемое гидрофоном (приемник), расположены на некотором расстоянии.
Скажем, датчик хочет отправить 0 бит. Когда передатчик посылает свою акустическую волну в узел, пьезоэлектрический резонатор поглощает волну и естественным образом деформируется, а сборщик энергии накапливает небольшой заряд от возникающих вибраций. Затем приемник не видит отраженного сигнала и декодирует 0.
Однако, когда датчик хочет отправить 1 бит, природа меняется. Когда передатчик посылает волну, микроконтроллер использует накопленный заряд, чтобы подать небольшое напряжение на пьезоэлектрический резонатор. Это напряжение переориентирует структуру материала таким образом, чтобы остановить его деформацию, и вместо этого отражает волну. Воспринимая отраженную волну, приемник декодирует 1.
