W sieci sensorów

Termin "sensor networks" jest na razie mało znany, ale kryjące się za nim rozwiązania przybliżają urzeczywistnienie wizji komputera, który widzi, słyszy i czuje. Analitycy przewidują, że rozwój systemów sensorycznych będzie nowym etapem rynkowej eksplozji Internetu, gdyż umożliwi bezpośrednią integrację Sieci ze światem fizycznym.

Termin "sensor networks" jest na razie mało znany, ale kryjące się za nim rozwiązania przybliżają urzeczywistnienie wizji komputera, który widzi, słyszy i czuje. Analitycy przewidują, że rozwój systemów sensorycznych będzie nowym etapem rynkowej eksplozji Internetu, gdyż umożliwi bezpośrednią integrację Sieci ze światem fizycznym.

Za sprawą miniaturyzacji i rozwoju standardów bezprzewodowych rynek sieciowy czeka kolejna rewolucja. Sieć - nawet w tradycyjnym ujęciu - od dawna nie jest strukturą łączącą po prostu komputery. Można przecież podpiąć do niej inne aktywne urządzenia. Zakończeniem sieciowym mogą być na przykład różnego rodzaju sensory reagujące na zachodzące w środowisku zmiany. Nie chodzi tutaj o wykrywacze dymu, czujniki wolnych miejsc na parkingu w hipermarkecie czy też inne znane rozwiązania wykorzystywane w systemach sterowania ruchem, automatyki budynków czy kontroli procesów i automatyki przemysłowej. Nadanie sensorom miniaturowych rozmiarów, wyposażenie we własne źródło energii i możliwości bezprzewodowej komunikacji sprawiają, że hasło "sensor networks" nabiera nowego znaczenia, a obszar zastosowań technologii sieciowych wkracza w zupełnie nowy wymiar.

Sieć rzeczy i inteligentny pył

Możliwości, jakie oferują sensor networks, dobrze obrazuje termin "Internet of things", ukuty przy okazji rozwoju rewolucjonizującej logistykę technologii RFID. Elektroniczne metki wpisują się w ideę sieci sensorycznych, z tą różnicą, że tagi RFID nie komunikują się między sobą, a taką możliwość mają zapewniać systemy MEMS. Określenie "Internet rzeczy" bardziej pasuje do sieci sensorycznych ze względu na to, że w ich ramach łączone są bardziej aktywne elementy sieciowe, niż np. puszki coca-coli z elektroniczną metką.

Mogłoby się wydawać, że praktyczne zastosowanie systemów MEMS to pieśń przyszłości. Są one jednak już teraz dostępne na rynku. Technologie zwane MOEMS (systemy mikro-optyczno-elektro-mechaniczne) już kilka lat temu trafiły do optycznych przełączników sieciowych Lucenta, Alcatela i innych producentów. Duże doświadczenie na polu rozwoju sieci sensorycznych - z uwzględnieniem urządzeń MEMS - ma laboratorium CENS (Center for Embedded Networked Sensing) powołane w 2002 r. przy uniwersytecie kalifornijskim (UCLA). Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki przyznała temu ośrodkowi ponad 40 mln USD na prowadzenie badań nad rozwiązaniami typu "sensor networks". W Kalifornii na uniwersytecie w Berkeley edukację zdobywał Mike Horton, założyciel istniejącej od 1995 r. i uznawanej za pioniera tej branży firmy Crossbow Technology. Na przestrzeni kilku lat Crossbow stała się głównym dostawcą różnego rodzaju czujników i sieciowych instrumentów służących do mierzenia prędkości, ciśnienia, natężenia światła temperatury, wilgotności, pozyskiwania danych o lokalizacji czy pełniących funkcje żyroskopów. Produkty tej amerykańskiej firmy znajdują zastosowanie w przemyśle, transporcie, rolnictwie czy ochronie środowiska. W ostatnim czasie Crossbow szczególnie wiele uwagi poświęca systemom klasy wireless sensor networks - i ma spore osiągnięcia w dziedzinie produkcji zminiaturyzowanych, rozwiązań zwanych smart dust lub mote (pyłek).

Pluskwa do wszystkiego

MICA MOTE z dołączonym standardowym modułem zasilającym (2 baterie AA).

MICA MOTE z dołączonym standardowym modułem zasilającym (2 baterie AA).

Co to właściwie jest "mote"? Idea jest prosta. Mote to urządzenie, które zbiera i przekazuje dane. Jego podstawą jest miniaturowy, niskonapięciowy komputer. Może on współpracować z różnymi czujnikami przetwarzającymi na cyfrową postać wartości analogowe, tj. temperaturę, ciśnienie, wilgotność, przyspieszenie, wagę, natężenie dźwięku, światła itp. Kolejnym niezbędnym elementem jest moduł zapewniający komunikację radiową, dzięki któremu dane przekazywane są dalej. Istnieje wiele wariantów takich urządzeń różniących się wielkością i standardem transmisji. Mote jest najczęściej zasilany bateryjnie. Ze względu na rodzaj zastosowań i fizyczne umiejscowienie często przewiduje się pracę bez możliwości wymiany ogniwa zasilającego. W większości przypadków okres życia "pyłu" jest obliczony co najmniej na rok. Inżynierowie przewidują także inne metody zasilania tych mikrourządzeń, przedłużające ich żywotność. Przyszłe modele będą mogły przetwarzać na prąd energię pochodzącą ze światła, ciepła czy nawet wstrząsów. Naukowcy z Palo Alto Research Center w Kalifornii zamierzają opracować oszczędzające energię algorytmy, które pozwolą czujnikom zbierać i transmitować tylko wybrane dane i reagować jedynie na istotne zmiany zachodzące w ich otoczeniu.

MICA z TinyOS

Przykładowe zastosowanie sieci sensorycznych do monitorowania środowiska naturalnego

Przykładowe zastosowanie sieci sensorycznych do monitorowania środowiska naturalnego

Stosowaną już dzisiaj, najbardziej znaną platformą typu mote jest MICA - opracowana przez naukowców z Berkeley i oferowana komercyjnie przez Crossbow Technology. Centralną częścią urządzenia jest energooszczędny, taktowany zegarem 4 MHz procesor Atmega 128L firmy Atmel. Współpracuje on z modułem radiowym działającym w paśmie 916 MHz lub 433 MHz oraz 51-pinowym interfejsem, poprzez który podłącza się zewnętrzne moduły z czujnikami przetwarzającymi wartości analogowe. Nad całością czuwa system TinyOS zaszyty we współpracującej z procesorem pamięci flash. Jest to środowisko o otwartym kodzie źródłowym (opracowane również przez inżynierów z Berkeley) dedykowane do tworzenia aplikacji dla bezprzewodowych sieci sensorycznych. TinyOS obsługuje radiową transmisję danych, funkcje DSP, zarządzanie trybami poboru energii oraz zapewnia możliwość bezpośredniej komunikacji między poszczególnymi "pyłkami". Ta ostatnia funkcja ma kluczowe znaczenie w przypadku budowy sieci sensorycznych w architekturze zwanej mesh, umożliwiającej automatyczne tworzenie rozproszonych sieci bezprzewodowych. W architekturze mesh węzły (np. urządzenia typu mote) pełnią równocześnie funkcje stacji dostępowych i routerów. Każda stacja działa jako repeater dla sąsiedniego węzła. Inteligentny routing (realizowany m.in. na podstawie analizy poziomu błędów, poziomu zgubionych pakietów czy mocy sygnału) pozwala na znaczne poszerzenie całkowitego zasięgu sieci i ogranicza liczbę wymaganych do instalacji bramek łączących już bezpośrednio całość architektury z siecią (np. Internetem). Na rynku pojawiły się już pierwsze urządzenia klasy mote, w których moduł radiowy pracuje w paśmie 2,4 GHz w technologii ZigBee. Standard ten jest rozwinięciem specyfikacji IEEE 802.15.4 wzbogaconej o pewne funkcje bezpieczeństwa i rozwiązania w warstwie sieciowej i aplikacji, które optymalizują ZigBee pod zastosowania w sieciach sensorycznych.

Od budownictwa do medycyny

Golem Dust - prototypowy mote zaprojektowany przez Berkeley Sensor & Actuator Center. Urządzenie o rozmiarze 11,7 mm3, wyposażone w czujnik przyspieszenia i światła.

Golem Dust - prototypowy mote zaprojektowany przez Berkeley Sensor & Actuator Center. Urządzenie o rozmiarze 11,7 mm3, wyposażone w czujnik przyspieszenia i światła.

Obszar zastosowań sieci sensorycznych jest ogromny. Wykorzystanie urządzeń typu mote może wnieść nową jakość do pracy biologów chcących pozyskać dane o zmianach klimatycznych w danym mikroregionie. Innym przykładem jest budownictwo, gdzie różnego rodzaju "pluskwy" mogą kontrolować kondycje materiałów budowlanych, korozję czy naprężenia, jakim są poddawane elementy konstrukcyjne. Mote wyposażony w czujnik zasolenia można na przykład zatopić w betonie użytym do budowy filarów mostu. Takie rozwiązanie znacznie ułatwiłoby proces inspekcji - wystarczy, że po moście przejechałby samochód, wysyłając do czujników sygnał aktywacji transmisji danych i zapisując otrzymane drogą radiową informacje w pokładowym komputerze.

Co ciekawe największe perspektywy praktycznego wykorzystania sieci sensorycznych są związane z obecnymi na rynku już od wielu lat, ale właściwie dopiero raczkującymi systemami mikro-elektro-mechanicznymi (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) oraz bardzo obiecującymi nanotechnologiami. Idea "sensor networks" jest podobna do znanych i stosowanych już rozwiązań, np. w systemach ochrony - to sieć różnego rodzaju czujników, które monitorują środowisko, w jakim się znajdują, i przekazują dane do systemu centralnego. Fakt, że czujniki stają się coraz bardziej miniaturowe i mogą przesyłać informacje bez użycia kabli znacznie poszerza obszar ich zastosowań. Przy tej okazji tradycyjnie wymienia się monitoring środowiska naturalnego, systemy automatyki przemysłowej, rozwiązania typu inteligentny budynek, przemysł obronny, medycynę.

Dyżurnym już przykładem przyszłościowego zastosowania MEMS są mikroskopijne moduły (o rozmiarach liczonych w mikronach), które wprowadzane do ciała pacjenta będą przekazywać informacje o stanie jego zdrowia, a dzięki zdobyczom nanotechnologii będą mogły nawet wykonywać pewne zabiegi operacyjne. W bliższej perspektywie jest integrowanie urządzeń MEMS we wszczepianych pacjentom implantach, które dzięki temu można by w sposób ciągły kontrolować (np. ich właściwe położenie).

Szerokie pole do zastosowań sieci sensorycznych istnieje także w przemyśle motoryzacyjnym czy lotniczym. Dostawcy technologii wskazują na przykład na możliwość wykorzystania sieci sensorycznej w postaci "armii" miniaturowych modułów MEMS, zintegrowanych z pasywnymi lub aktywnymi podzespołami w samolocie. Za pomocą odpowiednich czujników wykrywałyby jakieś niebezpieczne stany, np. niestandardowe drgania kontrolowanych elementów.

Język sensorów

Międzynarodowa organizacja OpenGeospatial Consortium w listopadzie 2004 r. przyjęła wersję beta specyfikacji opartego na XML języka Sensor Model Language. Powstanie SensorML to próba ustandaryzowania pozyskiwania i dystrybucji danych pochodzących z czujników, kamer czy systemów informacji przestrzennej. SensorML ma zapewnić łatwiejszą wizualizację i przetwarzanie danych pochodzących z sieci sensorycznych. Przygotowywana specyfikacja opisuje także model kontroli urządzeń/czujników poprzez WWW (więcej informacji:http://vast.uah.edu/SensorML/ ).