Low Power Backscatter Device

Abstract

Number of various connected devices in use is expected to reach tens of billions by the end of the decade. To limit the amount of electronic waste generated and maintenance needed, these devices should be able to work independently for many years, preferably for decades. To make this possible, the devices should use low-power communication methods, conserve energy as much as possible and be able to harvest the energy that they need for their operation. Additionally, the components used should not needlessly limit the lifetime of the device.

Energy usage for communication can be reduced significantly by using backscattering methods. With backscattering, all the transmitter’s active components can be replaced with one switching component. Device power consumption can be generally reduced by keeping the circuitry as much as possible in a low-power dormant state. The goal of this thesis is to develop a prototype of general-purpose connected device that fulfils these requirements. The main parts of the device are an energy harvester that collects energy from solar cells and a microcontroller that can interface with sensors and actuators and communicate using low-power backscattering methods. The energy consumption of the system is measured and compared to similar contemporary devices.

Erilaisten kommunikoivien laitteiden lukumääärän arvioidaan kohoavan kymmeniin miljardeihin kuluvan vuosikymmenen loppuun menessä. Jotta näistä laitteista aiheutuva jätteen määrä ja niihin liittyvä huollon tarve pysysi kohtuullisena, laitteiden olisi pystyttävä toimimaan itsenäisesti useita vuosia, jopa vuosikymmeniä. Tämän mahdollistamiseksi näiden laitteden tulisi säästää energiaa kaikissa toiminnoissa, kayttää pienitehoisia kommunikointitapoja ja niiden tulisi kyetä keräämään tarvitsemansa energia ympäristöstä. Lisäksi laitteissa käytettyjen komponenttien tulisi olla mahdollisimman pitkäikäisiä.

Kommunikoinin energiankulutusta voidaan vähentää merkittävästi kayttämällä takaisinsirontaan perustuvia menetelmiä. Takasinsirontaa käyttävässä radiolähettimessä energiaa kuluttavat aktiiviset komponentit voidaan korvata yhdellä kytkimellä. Yleisesti laitteen energiankulutusta voidaan vähentää pitämällä laitteen osia mahdollisimman paljon vähän kuluttavassa valmiutilassa.

Tämän työn tarkoituksena on kehittää prototyyppilaite, joka täyttää edellä esitetyt vaatimukset. Laitteen tärkeimmät osat ovat energian keräin, joka kerää laitteen tarviseman energian aurinkokennoista ja mikrokontrolleri, joka kykenee lukemaan sensoreita ja käyttämään toimilaitteita sekä viestimään käyttäen vähän energiaa kuluttavaa takaisinsirontamenetelmää. Laitteen energian kulutus mitataan ja kulutusta vertaillaan kirjallisuudessa esiteltyihin vastaaviin laitteisiin.