loading
please wait

Ogromne wyzwania przez konstruktorami węzłów Internetu Rzeczy

15 stycznia 2018

Jesteśmy świadkami kolejnej rewolucji technicznej, która swoim zasięgiem może mieć skutki znacznie większe od przeprowadzonej już rewolucji mikroelektronicznej.

Na rynku dostępna jest ogromna ilość 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 nowych 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 odnośnie ich wielkości fizycznej, ale także zdolności ich wytwarzania w formie zintegrowanej z innymi elementami składowymi tych węzłów. Możliwość ich zminiaturyzowania i wyprodukowania w rozmiarach rzędu 1cm x 1 cm x 0,3 cm oraz uwolnienie ich „ze smyczy” (którą stanowią przewody zasilające oraz transmitujące wyniki pomiarów do urządzenia pomiarowego) stwarza pokusę, aby pojedyncze sensory i czujniki umożliwiające pomiary punktowe zastąpić chmurą czujników.

– Jest to możliwe poprzez zastosowanie sieci węzłów, w których komunikacja bezprzewodowa zastępuje przewody transmitujące sygnały pomiarowe – przekonuje prof. dr hab. inż. Romuald Beck, zastępca dyrektora 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 się przez to komplikuje, ale osiągnięcia z zakresu mikroelektroniki pozwalają umieścić na podłożach o takich rozmiarach odpowiednie układy mikroprocesorowe 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, obszaru leśnego, rolnego), to wymienianie w nich baterii przez człowieka może okazać się nie tylko niepraktyczne, ale wręcz niemożliwe. Można temu zaradzić umieszczając w każdym takim węźle urządzenie/system pobierania energii z otoczenia (Energy Havesting). Takie rozwiązanie czyni wszystkie węzły sieci nie tylko autonomicznymi ze względu na możliwość ich dowolnego ułożenia (brak przewodów), ale także ze względu na własne zasilanie.

Problem jednak w tym, że wydajność takich systemów zasilania jest niewielka, a zapotrzebowanie aktualnie dostępnych czujników wzbogaconych o układy do komunikacji bezprzewodowej oraz system mikroprocesorowy znacznie przekracza jego możliwości.

Stawia to przed konstruktorami i producentami węzłów 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 niewielką ilością 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 wykorzystywanych zasad detekcji i działania, konstrukcji i zastosowanych do budowy czujników innych materiałów, ale także ekstremalnie niskich poborów mocy układów mikroprocesorowych i komunikacji bezprzewodowej.  – wyjaśnia prof. Romuald Beck. – W praktyce, pojawia się konieczność wymyślenia, zaprojektowania konstrukcji i adekwatnej technologii tych elementów całkiem od nowa.  Na półkach sklepowych dostępnych jest wiele czujników, które dokonują różnych pomiarów, ale z perspektywy zastosowania ich w systemach Internecie Rzeczy są one dla nas bezużyteczne. Wymagają całkowitego przekonstruowania. Nie można ich w prosty sposób zminiaturyzować.

Nie były też konstruowane z myślą o tak radykalnych ograniczeniach w dostępie do energii, jakie narzucają nam potencjalnie możliwe do wykorzystania metody pobierania energia z otoczenia. Prace nad tworzeniem tej nowej generacji czujników trzeba zatem rozpoczynać od zera, dodaje profesor.

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 zwykle będzie odmienna.  Zawsze jednak czujnik musi przekazywać do pozostałej części węzła 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 różnych powodów) tracimy z czasem dostęp – informuje profesor. Na przykład, umieszczone wewnątrz elementów konstrukcyjnych budowli (np.: domu, mostu, zapory), aby monitorować stan obiektu lub konstrukcji, informować o zagrożeniach. To kolejny powód potrzeby zapewnienia takiego sposobu pozyskiwania energii, który 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 awarii, lub uszkodzenia niektórych jego węzłów sieć będzie ulegała awarii wskutek utraty przerwania drogi ich wzajemnej komunikacji.

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

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, tłumaczy 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 można zapominać 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. Chcemy umożliwić budowanie takich sieci pod konkretne zastosowania, które do tej pory były 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.

 

(JC)