Steeds meer mensen kunnen zelf apparaten bouwen en die programmeren. Het gaat vaak om meetinstrumenten die kunnen worden uitgelezen met een smartphone; ze maken dus deel uit van het zogenaamde Internet of Things (IoT).

Vaak bouwen mensen thuis kleine meetstationnetjes die iets bij moeten houden. „Bijvoorbeeld een weerstation of een apparaatje dat de vochtigheid van de grond in een bloempot meet”, schetst promovendus Vito Kortbeek de huidige ontwikkelingen. In een gezellige vergaderruimte op de faculteit elektrotechniek van TU Delft licht hij samen met Przemysław Pawełczak, hoofddocent netwerksystemen van TU Delft, toe wat hun onderzoek daaraan toevoegt.

Wetenschappers voorzien dat het IoT zal gaan bestaan uit meer dan 1 biljoen (met twaalf nullen) apparaatjes. Die gaan allemaal gebruikmaken van batterijen. Josiah Hester, hoofddocent computer engineering van Northwestern University, verwacht een „verschrikkelijke ecologische ramp” wanneer al die miljarden batterijtjes worden afgedankt.

„Daarbij komt dat mensen uit zichzelf niet geneigd zijn om die apparaatjes milieuvriendelijk van energie te voorzien”, constateert Pawełczak. „Ze willen vaak snel aan de slag met hun project, en zijn zich onvoldoende bewust van de milieu-impact van hun apparaatje op de lange termijn.”

De drie wetenschappers hebben samen met twee studenten van Northwestern University (VS) en een universitair docent aan de Universiteit Trento (Italië) de handen ineengeslagen. Ze ontwikkelden de BFree, een gebruiksvriendelijk platform zonder batterij. Daarmee zou iedereen probleemloos en op een duurzame manier slimme apparaatjes kunnen bouwen en programmeren. Kortbeek: „Als je een beetje ervaring hebt met hardware en solderen moet je hiermee uit de voeten kunnen.”

Printplaatje

Pawełczak staat op. „Ik haal wel even een BFree-platform.” Even later komt hij terug met een zwarte printplaat met daarop een rood plaatje geklikt. Dat rode printplaatje is het zogeheten BFree Shield waarop een aantal attributen is gesoldeerd.

Een van die componenten is een condensator, die eruitziet als een AA-batterij. Een condensator werkt wel anders dan een batterij, die continu energie kan leveren, legt Kortbeek uit. „De condensator wordt opgeladen door een zonnepaneeltje, door bewegingsenergie of een minuscuul windmolentje. Wanneer hij is opgeladen, kan hij korte tijd energie leveren.”

Dat maakt het BFree-platform niet geschikt voor alle toepassingen die nu op batterijen werken. Bovendien leveren zon en wind niet altijd evenveel energie. „Er hoeft maar even een wolk voor de zon te schuiven, en de energietoevoer stokt.”

Hoelang het apparaatje werkt, hangt af van de beschikbaarheid van energie in de condensator, vervolgt de promovendus. „In de praktijk gaat hij een paar seconden aan, en weer een paar seconden uit.”

Pawełczak: „We noemen zo’n digitaal systeem dat even aan- en even uitgaat een ”intermittent computing system”. Dat maakt het platform wel geschikt voor meetinstrumenten die om de zoveel tijd een meting doen, of voor een afstandsbediening, maar bijvoorbeeld niet voor een alarmsysteem dat altijd moet kunnen werken.”

Uitdaging

Dat het apparaatje maar even kan werken, levert gelijk ook een andere uitdaging op: hoe kunnen de wetenschappers voorkomen dat de meetgegevens verloren gaan als de energie op is? Of dat de computer eerst een reeks bewerkingen moet uitvoeren wanneer hij herstart?

Kortbeek wijst op het BFree Shield. „Om het zwarte standaard makersplatform om te turnen naar een batterijloos platform moesten we ook aanpassingen doen aan de software. We hebben het rode plaatje daarom uitgerust met software die aansluit bij de programmeertaal Python. Meetgegevens worden in de BFree Shield opgeslagen. En het programma werkt in principe eindeloos, ook zonder batterijen. Sterker: we kunnen de batterijen vaarwel zeggen.”

Het nieuwe platform maakt het mogelijk om meetapparatuur op een locatie te plaatsen en die te ‘vergeten’, vervolgt Pawełczak. „Het blijft bij wijze van spreken tot het einde van de wereld metingen doen. Het is zelfs goedkoper, want je hoeft geen batterijen te vervangen.” Met een glimlach: „Lezers van het Reformatorisch Dagblad kunnen denken aan een weerstation boven op een torenspits van een kerk. Het plaatsen is een grote klus. Daarna werkt het eindeloos. Een batterij hoef je nooit meer te vervangen.”

Niet alle apparatuur is geschikt voor het nieuwe BFree-platform. Kortbeek: „Een elektromotortje vraagt meer energie dan een meetsensor. Voor dergelijke zwaardere toepassingen zou je natuurlijk gebruik kunnen maken van een grotere condensator. Maar het duurt ook langer voor deze vol is.”

Is het een overweging om voor bepaalde toepassingen toch een batterij aan het platform toe te voegen als back-up?

Kortbeek: „Wij onderzoeken eigenlijk alleen toepassingen die zonder batterij kunnen functioneren. Ik weet dat er andere onderzoeksgroepen zijn die kijken naar energieneutrale systemen, die overdag een batterij volladen om ’s nachts ook apparatuur te laten werken.”

Pawełczak: „Een andere kwestie is de grootte van het systeem. Op dit BFree-
demoplatform is de condensator even groot als een batterij. Maar voor sommige toepassingen, die eventueel in te bouwen zijn in het menselijk lichaam, wil je geen grote condensator nodig hebben.”

Kortbeek: „Eigenlijk is dit dan ook een absurd grote versie. Ons eindproduct is uiteindelijk veel kleiner en veel energiezuiniger. De producent van het originele platform is een groot Amerikaans bedrijf. We zouden het toejuichen wanneer het bedrijf BFree daarin kan integreren.”

Hoe kan het BFree-platform een rol gaan spelen in duurzame IoT?

Pawełczak, met een glimlach: „De toekomst voorspellen is altijd moeilijk. Toen we met dit project begonnen dachten we: wie is hierin geïnteresseerd? En nu zitten we nota bene aan tafel met journalisten van het Reformatorisch Dagblad. Als je zo’n platform publiek maakt, bedenken mensen algauw toepassingen die wij niet hadden voorzien. Net zoals de makers van de eerste computers niet hadden kunnen bedenken wat wij er nu allemaal mee doen.”

In hoeverre is het BFree-platform bruikbaar voor standaard draadloze apparatuur in huishoudens?

Kortbeek: „Dat is niet een-op-een toepasbaar. Dat komt doordat we werken met een intermittent computing system: de energie is niet op elk willekeurig moment beschikbaar. Voor een afstandbediening werkt dat mogelijk wel; maar voor een toetsenbord of muis is het bijvoorbeeld geen optie.” Met een grijns: „Als je aan het typen bent in Word en de letters verschijnen niet op je beeldscherm, zou je weleens gefrustreerd op je toetsenbord kunnen gaan slaan.”

Pawełczak: „Daaraan zie je hoe belangrijk het is hoe mensen reageren op het functioneren van een apparaat. Als een computerscherm om de zoveel seconden uitvalt en weer aangaat, zal dat ook ergernis opleveren. Ik voorzie wel toepassingen voor spelcomputers op zonne-energie en bewegingsenergie uit toetsenbordaanslagen. Zo hebben we vorig jaar de eerste batterijloze spelcomputer, een Gameboy, onthuld.

Voor actiespellen gaat BFree niet goed werken, maar bijvoorbeeld voor tetris of schaken is enige vertraging door energietekort geen probleem. Onze insteek is: pas het platform alleen daar toe waar het mensen positieve ervaringen oplevert.

Daarnaast moeten we ons als mensheid de vraag stellen: moeten we met het oog op de huidige klimaat- en milieuproblemen voortdurend een steeds betere smartphone, een nog snellere laptop of een nog groter beeldscherm willen? Het is heel simpel: ons energieverbruik moet omlaag. De huidige gascrisis is deel van het probleem. Het zou zomaar kunnen dat je in de toekomst tevreden moet zijn met een beeldscherm dat een heel stuk kleiner is dan je nu gewend bent.”

>

github.com/TUDSSL/BFree