Kohti kestävää sisätilojen havainnointia ja paikannusta paristottoman valoihin perustuvan esineiden internetin avulla

6G-teknologian ja muiden esineiden internetin (IoT) teknologioiden kehityksen odotetaan edistävän laajamittaista esineiden internetin käyttöä sisätiloissa, mikä tuo mukanaan useita haasteita. Radiotaajuusspektrin (RF) ruuhkautuminen sekä sähkökemiallisiin akkuihin liittyvät elektroniikkajäte- ja huoltovaatimukset edellyttävät kestävää, akutonta ja kierrätettävää IoT-arkkitehtuuria, joka on suunniteltu erityisesti sisätilojen sovelluksiin ja joka täydentää nykyisiä RF-pohjaisia IoT-ratkaisuja. Tässä tutkimuksessa ehdotetaankin valoon perustuvaa esineiden internetiä (Light-based IoT, LIoT), jossa hyödynnetään sisätilojen valaistusta energian keräämisen ja optisen langattoman viestinnän (OWC) yhdistettynä välineenä kestävää akutonta toimintaa varten.

LIoT-järjestelmässä LED-valaisimia käytetään liityntäpisteinä, jotka samalla valaisevat ja tukevat OWC-viestintää. Ehdotetussa solmussa yhdistyvät aurinkosähköön (PV) perustuva energian kerääminen, kestävät materiaalit ja ajoittainen toiminta, millä saadaan aikaan nollaenergialla toimivat IoT-toiminnot (ZE-IoT). Viestintä tapahtuu näkyvän valon ja infrapunayhteyksien avulla. Konseptin toimivuutta osoittavalla (proof-of-concept, PoC) prototyypillä voidaan osoittaa energian suhteen itsenäinen toiminta tyypillisissä sisäolosuhteissa.

Havaitsemisen ja viestinnän lisäksi samaa LIoT-laitteistoa voidaan käyttää paikantamiseen sisätiloissa. Optisista ilmaisimista ja aurinkosähkön keräimistä johdetut ominaisuudet arvioivat paikkatietokontekstin, jolloin erillistä paikannusinfrastruktuuria ei tarvita. Koneoppimisavusteisen PoC-järjestelmän tuloksissa näkyy 80 %:n paikannustarkkuus 12.5 cm:n marginaalilla sekä 68 %:n suuntaluokitustarkkuus.

Sisätilojen epäyhtenäisen valaistuksen käsittelemiseksi LIoT-kehyksessä esitellään data-energiaverkot (DE-LIoT). Tässä lähestymistavassa paljon energiaa sisältävät solmut toimivat yhdessä tietoverkon kanssa ja jakavat ajoittain ylijäämäenergiaa läheisten rajoitettujen solmujen kanssa optisen langattoman tehonsiirron (OWPT) avulla. Näin muodostuu yhteistoiminnallinen data-energiaverkko. PoC-vaiheen DE-LIoT-järjestelmällä tehty arviointi osoittaa, että kohdesolmun valaisu lisääntyy 50 % ja akuton toiminta-aika pitenee 8 tunnista yli 40 tuntiin.

Tämä tutkimus validoi LIoT-konseptin PoC-toteutusten avulla ja luo puitteet kestävälle, akuttomalle IoT:lle sisätiloissa.