关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅来支持我们。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
如果使用射频 (RF) 信号来监测空气质量、桥梁和道路的结构完整性以及交通或天气状况（从而创建所谓的“物联网”）的传感器网络可以直接从空气中获取电力，那岂不是很好吗？
现在，华盛顿大学的研究人员使用一种名为“环境反向散射”的技术，正在做到这一点：他们已将现有的无线信号转换为传感器网络的电源和通信介质。研究人员网络中的每个设备都是一个非常基本的传感器，由信用卡大小的电路板组成，该电路板具有发射器、接收器和用于从电视信号中收集能量的组件，所有这些都连接到同一根天线上。 嵌入在道路或桥梁中，此类网络可以监控结构完整性，并通过电子邮件或短信向当局发出故障信号。 有朝一日，如果您的手机电池没电了，它们甚至可能提供备用消息传递功能。
早期的努力已经利用射频信号专门为传感器供电。 这是通过捕获来自电视或蜂窝信号的能量并将该能量转换为电力来为电路供电来完成的。 “这里的新颖之处在于——我们正在这样做[收集信号以供电]，但我们也通过反射这些电视信号进行通信，”华盛顿大学的计算机科学家兼电气工程师约书亚·史密斯说。 研究人员上周在香港举行的计算机协会数据通信特别兴趣小组2013年会议上展示了他们的工作(pdf)。
研究人员传感器网络中的设备通过吸收或反射附近发射塔产生的超高射频电视信号来相互发送和接收消息。 每个设备还具有一个 LED 灯，该灯会闪烁以向观察者指示它何时收到来自网络中另一个传感器的信号。
重新利用现有的射频信号不会干扰它们的预期用途，无论是传输电视节目还是移动通信。 “我们在这里所做的只是在我们周围创建现有无线信号的额外反射，无论是电视、Wi-Fi 还是蜂窝信号，”华盛顿大学计算机科学家沙姆·戈拉科塔说，他与史密斯一起参与了这个项目。 网络中的传感器需要很少的功率，因为它们不产生任何自己的无线电信号。
研究人员在西雅图地区电视塔约 10 公里范围内的几个地点（公寓楼内、街角和停车场顶层）测试了他们的概念验证传感器网络。 在户外，传感器以每秒 1 千比特的速率相互通信，距离最远可达 0.75 米。 这足以传输少量数据——传感器读数或短信中可能包含的基本信息。 在室内，信号会稍微减弱，这意味着设备可以在半米左右的稍短范围内以这种速率交换信息。 研究人员可能会在后续实验中通过开发更有效的编码方案或通过让传感器发送冗余信号来提高传输范围，从而提高消息传递成功的机会。
研究人员预计，他们最终将能够将数据传输速率提高到每秒 600 千比特，甚至每秒 1 兆比特。 实现这一目标的一种方法可能是利用电视信号中的结构，而不是将它们视为完全随机和不可控制的。
环境无线电信号收集的主要限制是，即使从大量信号中，设备也只能提取有限的功率（以微瓦为单位）。 尽管该技术对于为小型传感器供电是可行的，但对于为手机或平板电脑充电等应用来说是不切实际的。 然而，史密斯设想了一种场景，即使手机电池没电了，移动电话也可以使用环境反向散射来发送和接收电子邮件或短信。 “或者，”他补充说，“您可以将这种功能构建到智能手机中，以降低总体功耗并延长电池寿命。”