03_Беспроводные системы передачи данных (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова)

Беспроводные системы передачи данных.

Беспроводная диагностическая сенсорная система актуальна в сложных условиях: зоны землетрясения, биологического и химического (в т.ч. радиоактивного) заражения, взрыва, пожара. Большое число сенсоров позволят проанализировать значительное пространство. Система в целом состоит из кластеров, включающих активные и спящие (запасные) сенсоры с маломощными трансиверами. На кластер достаточно нескольких более мощных трансиверов для передачи информации на объект контроля.

Рис. Структура информационной системы беспроводной сенсорной системы.

В зависимости от конкретных требований конструктив содержащих датчики трансиверов меняется. Для перекатывания по твердой поверхности удобна аукзетичная конструкция. Такой трансивер будет медленно опускаться. Он имеет большую площадь поверхности, которую можно использовать для солнечных элементов.

Рис. Аукзетичный конструктив сенсорного трансивера.

Для закрепления на поверхности подходит конструктив типа силиконового микро аэропланера (silicon-based micro aerial vehicle - SiMAV) с ориентирующим вниз центром тяжести. Для увеличения времени свободного парения целесообразен конструктив типа листка бумаги с ректенной (sensor-rectenna array paper - SRAP). Большая площадь поверхности может эффективно использоваться для преобразования СВЧ энергии в напряжение.

Рис. Свободно фланирующие сенсорные трансиверы SiMAV и SRAP.

Сенсорная сеть концепции «e-CUBE » основывалась на несущей диапазона СВЧ. Название подчеркивало конструктив сенсорного модуля – куб. Благодаря радиодиапазону, использовались базовые станции систем GSM, GPRS. С увеличением несущей частоты существенно уменьшаются габариты ячейки.

Рис. Структура «e-CUBE».

Рис. Конструктив «e-CUBE»: схемы расположения микросборок и вид платы управления питанием.

Рис. Зависимость габаритов ячейки от значения несущей частоты.

Сенсорная сеть нового поколения, получившая название RF Time of Flight, способна определять координаты в трехмерном пространстве. Это позволит отслеживать объекты в режиме реального времени. Объекты RFID идентифицируются лишь в момент приближения к считывателю.

RF Time of Flight может включать в сеть десятки тысяч “пылинок”, которые создают ячеистую сеть со множеством концентраторов, устанавливают связь и сообщают о расположенных к ним ближе всего “пылинках”. (Они менее мощные, поэтому их должно быть больше.) Измеряя расстояние между двумя соседними “пылинками”, можно определить местонахождение помеченного ими объекта. RF Time of Flight добавляет к этому радиосвязь и возможность измерять расстояние. В настоящее время элементы, производимые компанией Dust Networks, имеют размер монеты в 25 центов, а должны быть доведены до размера песчинок или частичек пыли. Это предопределяет переход к нанокомпонентам. «Пылинки» содержат сенсоры, компьютерные микросхемы, устройства двусторонней беспроводной связи и антенну, а питаются от внешней миниатюрной батарейки. “Пылинки” могут реагировать на свет, температуру или вибрации.

Cолнечная батарейка будет размещаться непосредственно на кремниевой микросхеме, устраняя необходимость во внешнем источнике питания. Это позволило бы создать самую маленькую из когда-либо существовавших “пылинок”. Используется протокол TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol — протокол ячеистых сетей с синхронизацией по времени).

Рис. Изображение макета сенсорного трансивера с гранями величиной 10 и 25 мм.

Рис. Структура сенсорного трансивера со средствами регистрации данных.

Рис. Блок-схема сенсорного трансивера с питанием от солнечной батареи.

Рис. Эскиз конструкции автономного многофункционального сенсора (integrated sensors) с устройством беспроводной связи (wireless communication), источником питания (power harvesting devices), накопителем энергии – микро батареей или суперконденсатором.

Краска на основе углеродной нанотрубки (УНТ). Это устойчивый к механическому воздействию композитный материал, который представляет собой несколько слоев углеродных нанотрубок, расположенные между слоями полимерного материала. Каждый слой нанотрубок способен реагировать на изменение кислотности pH, механическое напряжение поверхности, влажность или освещенности. Таким образом, материал обладает сенсорными свойствами, причем различные слои могут проявлять разные сенсорные свойства. Например, один слой нанотрубок чувствителен к изменению кислотности металла (что сигнализирует о начале коррозийного процесса), другой – к изменению напряжений внутри него. Для формирования датчика по периметру "окрашенной" поверхности располагаются электрические контакты, которые соединены с микропроцессором. Коррозия (так же, как и различные трещины) изменяет поведение электронов, проходящих через слой, что, в свою очередь, вызывает изменение объёмной электропроводности этих слоёв.

С помощью микропроцессора строится двумерная визуальная картина распределения электропроводности, на которой становятся заметны любые изменения. Для построения двумерной картины распределения объёмной электропроводности композита используется метод биоимпедансной томографии (Electrical Impedance Tomography — EIT).

Рис. Внешний вид датчика материала (слева): белые полосы показывают местоположение трещин в повреждённом элементе из цемента. Картина электропроводности (справа) (фото University of Michigan).

Рис. Образец (a) материала и картина проводимости материала, подверженного действию растворов с различным значением pH: (b) от 7 до 9, (с) от 7 до 5. Чем темнее цвет, тем больше проводимость (иллюстрация Jerome Lynch).

Разрушение мостов (фото с сайта visi.com/cnn.net).

Подобные датчики, помещённых вдоль всего моста могут составить беспроводную диагностическую систему. Каждый такой узел также будет иметь микропроцессор, анализирующий поступающую информацию и периодически пересылающий её через беспроводную сеть на ближайший сервер. Серверный компьютер будет выделять те участки, которые требуют пристального осмотра и подавать сигналы тревоги.

Источники энергии миниатюрных трансиверов.

Автономность трансивера поддерживается беспроводными возобновляемыми источниками энергии, которая заряжает батарею. Энергия пополняется с помощью

- внешнего направленного электромагнитного излучения радиотехнического и оптического диапазона,

- солнечных элементов,

- химических реакций,

- пьезоэлектрического эффекта,

- электростатического эффекта,

- термоэлектрического эффекта (Зеебека),

- вибрация и вращение массы или консоли при движении объекта,

- сила сжатия, мускульные сокращения,

- поток газа или жидкости,

- электромагнитное излучение в радио-, инфракрасном (дневные перепады температуры, тепло человека и машин) и оптическом (свет) диапазонах,

- радиоактивное излучение.

Электромагнитные преобразователи диапазона СВЧ.

Рис. Структурная схема источника энергии автономного трансивера.

Рис. Матрица приемных дипольных антенн с преобразованием переменного высокочастотного напряжения в постоянное.