Nowa era czujników i sensorów w węzłach Internetu Rzeczy

793

Jesteśmy świadkami kolejnej rewolucji technicznej, która swoim zasięgiem moze mieć skutki znaczmir większe od wprowadzonej rewolucji mikroelektronicznej. Na rynku dostępna jest ogromna masa czujników i sensorów, które dokonują pomiaru różnych parametrów fizycznych i chemicznych. Badają temperaturę, wilgotność, ciśnienie, ruch, skład chemiczny, stężenie zanieczyszczeń i wiele innych parametrów. Są częścią urządzeń zasilanych prądem z sieci, a czasem z wymiennych baterii lub akumulatorów. Pojawienie się idei systemów Internetu Rzeczy (IR) daje niezliczone możliwości ich wykorzystania, pod warunkiem dostosowania ich do nowych wymagań i potrzeb, jakie wynikają z istoty IR.

Postęp technologiczny wymusza więc tworzenie zupełnie nowych typów zminiaturyzowanych czujników i sensorów, które działając w systemie Internetu Rzeczy, będą musiały spełnić wiele zupełnie nowyvh wymagań. Nad ich konstrukcją pracują uczeni w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT), najnowocześniejszym laboratorium wdrożeniowym Politechniki Warszawskiej.

Zastosowanie czujników w węzłach Internetu Rzeczy narzuca bardzo wysokie wymagania odności ich fizycznej wielkości, ale także zdolności ich wytwarzania w formie zintegrowanej z innymi elementami składowymi tych węzłów. Mozliwość ich zminiaturyzowania i wyprodukowania w rozmaiarach rzędu 1 cm x 1 cm x 0,3 cm oraz uwolnienia ich „ze smyczy” (którą stanowią przewody zasilające oraz transmitujące wyniki pomiarów do urządzenia pomiarowego) stwarza pokusę, aby pojedyncze sensory i czujniki umożliwiające pomiary punktowe, zastapić chmurą czujników.

– Jest to możliwe poprzez zastosowanie sieci węzłów, w których komunikacja bezprzewodowa zastepuje przewody transmitujące sygnały pomiarowe – zapewnia prof.dr hab.inż. Romuald Beck, zastępca ds. naukowych w Cezamacie. – Aby jednak sygnały te nadawały się do transmisji, trzeba je odpowiednio zmodyfikować. Służą temu odpowiednie układy elektroniczne, zwykle mikroprocesorowe. Konstrukcja węzła nam se przez to komplikuje, ale osiągnięcia z zakresu mikroelektroniki pozwalaja umieścić na podłożach o takich rozmiarach odpowiednie układy mikroprocesowe i komunikacji bezprzewodowej. Zachodzi pytanie, co z zasilaniem? Każdy z węzłów takiej sieci można zaopatrzyć także w indywidualne zasilanie np. z baterii lub akumulatora.

Jeżeli jednak liczba węzłów będzie duża np. z powodu monitorowania bardzo dużego obszaru (przemysłowego, leśnego, rolnego) to wymienianie w nich baterii przez człowieka może okazać się nie tylko niepraktyczne, ale wręcz niemożliwe. Mozna temu zaradzić umieszczająćv w każdym takim węźle urządzenie/syystem pobierania energii z otoczenia (Energy Harvesting). Takie rozwiązanie czyni wszystkie węzły sieci nie tylko autonomicznymi, ze względu na moxliwośc ich dowolnego ułożenia (brak przewodów), ale także ze względu na własne zasilanie, dodaje profesor.

Problem jednak w tym, że wydajność takich systemów zasilania jest niewielka, a zapotrzebowanie obecnie dostępnych czujników, wzbogaconych o układy do komunikacji bezprzewodowej oraz system mikroprocesorowy znacznie przekracza jego możliwości. Stawia to przed konstruktorami i producentami wężłów Internetu Rzeczy zupełnie nowe wymagania. I tak, po pierwsze, wszystkie urządzenia i elementy wchodzące w ich skład, począwszy od samych czujników i sensorów, poprzez układy obróbki i analizy sygnałów, aż po układy bezprzewodowej komunikacji ze światem zewnętrznym, muszą zadowolić się bardzo niewielka iloscia energii. Po drugie, konieczne jest spełnienie wysokich wymagań na trwałość i niezawodność pracy takich węzłów sieci monitoringu, nawet w trudnych warunkach pracy (np. w szerokim zakresie temperatur i wilgotności).

– Spełnienie tak wygórowanych oczekiwań wymaga zazwyczaj całkowitej zmiany wykorzystania zasad detekcji,działania i konstrukcji zastosowanych do budowy czujników innych materiałów, ale także eksperymentalnie niskich poborów mocy układów mikroprocesorowych i komunikacji bezprzewodowej – tłumaczy prof. Romuald Beck. – Na półkach sklepowych dostępnych jest wiele czujników, które dokonują różnych pomiarów, ale z perspektywy zastosowania ich w systemach Internetu Rzeczu są one dla nas bezużyteczne. Wymagają całkowitego przekonstruowania. Nie można ich w prosty sposób zminiaturyzować. Nie były też konstruowane z myśla o tak radykalnych ograniczeniach w dostepie do energii, jakie narzucają nam potencjalnie możliwe do wykorzystania metody pobierania energii z otoczenia. Prace nad tworzeniem tej nowej generacji czujników trzeba zatem rozpoczynać od zera.

Czujniki badają różne parametry np. wilgotność, temperaturę, ruch, stężenie zanieczyszczeń i wiele innych wskaźników. Dla każdego z tych celów ich konstrukcja, zasada działania i technologia wykonania będzie zwykle odmienna. Zawsze jednak czujnik musi przekazywać do pozostałej części węzła w bezprzewodowej sieci Internetu Rzeczy, informację w postaci elektronicznej. Wynik pomiaru zamieniony zostaje na określoną wartość napięcia, a w istocie na informacje, która dopiero dalej podlega obróbce i wysyłce.

– Autonomiczne i samozasilające się czujniki mogą zostać umieszczone nawet w niedostępnych dla człowieka miejscach, do których z róznych powodów, tracimy z czasem dostęp – informuje profesor. – Na przykład, umieszczone wewnątrz elementów konstrukcyjnych budowli (m.in. domów, mostów, zapór, any monitorować stan obiektu lub konstrukcji, informować o zagrożeniach. To kolejny powód potrzeby zapewnienia takiego sposobu pozyskiwania energii, która nie wymaga na żadnym etapie interwencji człowieka. W sieci, gdzie te węzły się ze sobą komunikują powstaje dynamicznie odnawiany obraz sytuacji w przestrzeni dwu lub trzywymiarowej. Trzeba sobie jednak zdawać sprawę, że w perspektywie długofalowej, wskutek uszkodzenia niektórych jego węzłów sieć będzie ulegała awarii na skutek przerwania drogi ich wzajemnej komunikacji.

Wprowadzenie do systemu funkcjonowania sieci autonomicznego jej odbudowywania (znajdowania alternatywnej drogiwzajemnej komunikacji) zabezpiecza nas i przed takimi niedogodnościami. Dodatkowo, aby temu zapobiec warto celowo powiększać liczbę węzłów sieci, aby zrekompensować ubywające z czasem jej węzły, w wyniku awarii.

Miniaturyzacja czujników jest kluczowa w systemie funkcjonowania Internetu Rzeczy, który jest gigantyczną siecią komunikujących się ze sobą miliardów przedmiotów i urządzeń w jednym czasie. Do ich budowy potrzebne są odpowiednie materiały o szczególnych właściwościach, które spełnią określone wymagania. Musi to być spójne także z konstrukcją i jakością materiałów, z których wykonane są sąsiadujące czujniki, aby się wzajemnie nie wykluczały, prowadząc do zakłócenia pracy całego systemu.

– Bardzo często musimy znaleźć zupełnie nowy materiał, konstrukcję i sposób jego wytwarzania, podsumowuje profesor Romuald Beck. – Powstaje konieczność całkowitej zmiany podejścia do tworzenia nawet tych indywidualnych sensorów. W poszukiwaniu czujników i sensorów o niskim zapotrzebowaniu na energię nie mozna zapomnieć o konieczności osiągnięcia bardzo wysokiej czułości tego sensora na monitorowany parametr. Fascynujące jest to, że w ramach jednego czujnika poruszamy się w kilku światach. Zarówno w świecie inżynierii materiałowej, fizyki, chemii, jak również bioinżynierii. W Cezamacie zajmujemy się opracowywaniem takich konstrukcji, które pozwalają spełnić wszystkie te oczekiwania na raz. Umożliwia budowanie kakich sieci pod konkretne zastosowania, do tej pory niemożliwe do realizacji. To wymaga nie tylko doświadczenia naukowego i dużej wiedzy z różnych dziedzin, ale także niezwykłej kreatywności i wyobraźni uczonych.

Nad rozwojem takich technologii pracują uczeni i inżynierowie na całym świecie. Polska może w tym wyścigu skutecznie uczestniczyć tylko pod jednym warunkiem, że na takie badanie będą przeznaczane pieniądze. Niestety wnioski aplikacyjne Cezamatu kierowane do Fundacji na rzecz Nauki Polskie oraz innych agend rządowych o wspieranie działalności badawczo-rozwojowej w tym zakresie, przegrywają rywalizację z dofinansowaniem badań podstawowych. Przy braku równowagi w polskim systemie finansowania takich badań marzenia o rozwoju innowacyjności w naszym kraju będą się ciągle oddalać.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here