Reading time: 4 minutes
Author:
Indoor plaatsbepaling met een bereik van 350 meter en een nauwkeurigheid van 1 meter, dat is de niche waarin Essensium zich met zijn onlangs voorgestelde Lost-technologie (Location System for Sensor Tracking) begeeft. Het huidige prototype ter grootte van een schoenendoos is ontwikkeld in samenwerking met onder meer het IWT, de Universiteit van Gent, de Vrije Universiteit Brussel, Imec en het IBBT.
Een draadloos sensornetwerk bestaat ruwweg gezien uit een hoop apparaten die een PCB bevatten met een paar chips, een batterij en een antenne. Deze nodes brengen informatie zoals de vochtigheid, temperatuur, activiteit of hun locatie over naar een centrale server. ’De meeste huidige draadloze sensornetwerken focussen zich echter op het efficiënt verzamelen van deze data, terwijl de plaats waar de informatie ontstaat vaak minstens zo belangrijk is‘, zegt Frederic Stubbe, directeur van de Essensium-afdeling Productontwikkeling. De plaats van je sensor kennen maakt toepassingen mogelijk zoals geautomatiseerde meteropname bij elektriciteitsdistributie. De sensor kan ook als actieve tag dienstdoen in de logistiek.
Indoor de plaats van een sensor bepalen kun je doen aan de hand van de signaalsterkte van een WLan-antenne. ’Dit is echter niet zo betrouwbaar‘, weet Stubbe. ’Want als het signaal door een muur gaat, neemt de sterkte afhankelijk van de demping van het materiaal af en wordt de afstand vaak met ettelijke meters overschat.‘ Daarom gebruikt Essensium de aankomsttijd. ’Dit is nauwkeuriger, omdat het niet afhangt van het signaalpad‘, zegt Stubbe.
Het basisstation zendt een puls uit en de mobiele node reageert hierop met een tegenpuls. De centrale triggert op de rijzende flank van de teruggekaatste puls. Naast het rechtstreekse signaalpad zijn er ook andere paden door reflecties, maar die pulsen komen altijd later aan, zodat je niet per ongeluk een verkeerde puls uitleest. Als er obstakels zijn, verzwakt het signaal wel, maar dat verandert niets aan de interpretatie van de afstand. De aankomsttijd blijft immers gelijk. De signaalsterkte moet enkel boven een drempelwaarde blijven.
Voor de signalen maakt Essensium gebruik van WLan, waarvan een pakket normaal een glooiende flank van zo‘n 50 ns heeft. De Lost-module laat het pakket echter heel snel vertrekken, waardoor de flank een rise time van 3 ns krijgt. De Leuvenaren hebben de techniek wereldwijd met octrooien beschermd. Door nu de aankomsttijd in een discreet proces met bemonsteringsfrequentie van 500 MHz te meten, bekomt Lost een maximale onmiddellijke fout van 30 cm. Door het histogram uit te middelen, kun je in de praktijk op korte afstanden een nauwkeurigheid van 10 cm behalen. Tot een afstand van 350 m behaal je volgens Stubbe in 99 procent van de gevallen een nauwkeurigheid onder 1 meter.
Na deze afstandsbepaling kun je dan de sensor gaan positioneren door in elke hoek van de ruimte een basisstation te zetten en trigonometrie toe te passen op de verschillende afstanden. Deze positioneringsalgoritmes in een DSP zijn ontwikkeld samen met de VUB. Daarna kunnen de gegevens en de locatie van de sensor via WLan in burstmodus worden doorgestuurd naar de server. Overigens kan het Lost-systeem in realistische omstandigheden zo‘n duizend nodes per seconde tracken, zegt Stubbe.
Maleisië
De basisstations zenden elk 100 mW uit, maar een magnetron geeft in dezelfde ISM-band gemakkelijk tientallen watt af. Huub Tubbax, senior systeemarchitect en technisch verantwoordelijke voor de Lost-ontwikkeling, toonde tijdens de voorstelling van het Lost-prototype het effect van een actieve microgolfoven op de technologie. Er was duidelijk een grotere variatie in de positie van de Lost-node, maar dit bleef binnen een redelijke nauwkeurigheid. Tubbax verklaart: ’De afstandsbepaling wordt zwaar gestoord op het moment dat er interferentie is van de microgolfoven. Maar de oven zendt zijn pulsen slechts de helft van de tijd uit, zodat Lost de andere helft van de tijd zijn metingen kan doen.‘
Gevraagd naar de concurrerende technologieën zegt Tubbax dat Lost de voordelen van WLan en ultrabreedband (UWB) combineert. Lost heeft net zoals WLan een groot bereik en een goede bestendigheid tegen interferentie en net zoals UWB heeft het een goede nauwkeurigheid. ’Met UWB kun je wel nog nauwkeuriger gaan‘, geeft Tubbax toe, ’maar dan haal je niet het grotere bereik van Lost.‘
Het huidige prototype is nog een bordje ter grootte van een schoenendoos, met een digitaal deel en een analoog front-end voor het zenden en ontvangen van de pulsen. De bedoeling is om zowel de locatiebepaling als de communicatie te integreren in één systeemchip. Tegen het einde van dit jaar zou er een Lost-systeemchip moeten zijn en tegen het einde van 2009 een Soc die ook het communicatiegedeelte integreert.
Het verbruik is nu nog zo‘n 10 W, omdat de ontwikkeling van het prototype niet met de focus op vermogenverbruik is gebeurd. Essensium mikt echter op een batterijlevensduur die zo lang is als de levensduur van de toepassing, die kan variëren van maanden tot jaren. Dit wil het Leuvense bedrijf onder meer bereiken door een duty cycle van 1 procent of zelfs 1 promille: de Lost-node kan op korte termijn zijn meting doen en daarna zichzelf snel uitschakelen.
Het Lost-project zal volgens Essensium-CEO Johan Danneels een relatief lange incubatie nodig hebben. Het systeem is niet alleen technologisch heel complex, het gaat bovendien om kleine chips en te kleine volumes om interessant te zijn voor de grote foundry‘s. Net om die reden is Essensium een strategische alliantie aangegaan met het Maleisische Silterra. ’Het is echter een waardevol project omdat het een wezenlijk onderdeel is van de volgende generaties telecommunicatiesystemen‘, besluit Danneels.
