Internet Rzeczy jest bezprzewodową, gigantyczną siecią komunikujących się ze sobą smart-przedmiotów i urządzeń. Jej podstawowym elementem są węzły wyposażone w czujniki i sensory monitorujące określone zjawiska.

Czujniki te rejestrują, analizują, gromadzą i przesyłają dane w czasie rzeczywistym. Typowy węzeł bezprzewodowej sieci czujników zbudowany jest z nadajnika i odbiornika radiowego, modułu pamięci, mikroprocesora oraz baterii lub innego źródła energii.

– Zasilanie i kodowanie zbieranych oraz przekazywanych informacji to dwie kluczowe technologie, które wymagają szybkiego rozwiązania – wyjaśnia prof. dr hab. inż. Tomasz Skotnicki, wice-dyrektor CEZAMATU. Uczeni w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii, które jest najnowocześniejszym laboratorium wdrożeniowym Politechniki Warszawskiej, pracują nad rozwojem tych nowatorskich technologii.

Węzły Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things, w skrócie IoT) już niebawem będą występować w ilościach niespotykanych dotychczas w historii ludzkości. W trylionach obiektów. Wymiana baterii w takim systemie jest wręcz nierealna. Poza tym, część tych obiektów będzie umieszczona w niedostępnych miejscach m.in. w fundamentach budynków. Zalewanie czujników w betonie pozwala na dokonywanie pomiarów naprężenia czy pęknięcia, które mogą ostrzegać przed katastrofą

– Kontrolowanie różnych procesów za pomocą czujników ma tym większy sens, im trudniejszy dla człowieka jest dostęp do miejsc ekstremalnych – wyjaśnia prof. Skotnicki. –  Czujniki nas wyręczają, ale do efektywnego ich funkcjonowania niezbędne jest zasilanie węzłów sieci IoT ze źródeł  energii bezprzewodowej. I to przez jak najdłuższy czas, bo ich wymiana jest praktycznie niemożliwa. Najlepiej jeśli będzie to trwało co najmniej przez 15 – 20 lat, aby ten system mógł skutecznie działać.

Źródła bezprzewodowej energii

Jest ich sporo w naszym otoczeniu, ale jednym z najpowszechniejszym jest światło. Poza tym mogą to być również wibracje lub ciepło (np. z sieci przesyłowych gorących mediów). Do najbardziej rozwiniętych należą dzisiaj technologie fotowoltaiczne, które wykorzystują fotony do generacji elektryczności. Problem polega na tym, że światło nie zawsze jest dostępne, a czasem nie ma go wcale. Nie występuje na przykład, w sieciach kanalizacyjnych, wykopach podziemnych, maszynowniach przemysłowych czy konstrukcjach budowlanych.

– Przy braku światła źródłem energii mogą być np. wibracje, które występują w infrastrukturze przemysłowej np. w maszynowniach – informuje profesor –  Wibracje można przekształcać na prąd elektryczny. Takie technologie są znane od dawna, ale nigdy nie były wykorzystywane w skali mikro. Nad miniaturyzacją tych urządzeń oraz rozwojem tej technologii pracujemy intensywnie w Cezamacie.

W przypadku, jeśli nie ma ani światła, ani wibracji, źródłem energii może być ciepło pochodzące z instalacji przesyłu, przetwarzane na elektryczność dzięki różnicy temperatur. Wykorzystanie termoelektrycznego zjawiska jest powszechnie stosowane, ale zadaniem uczonych było opracowanie prototypowego urządzenia, które produkuje prąd przy różnicy temperatur na poziomie jednego stopnia Celsjusza.

Prototypowe generatorki termiczne HEATEC

Profesor Tomasz Skotnicki  opracował w 2008 roku metodę zwaną HEATEC i ją opatentował.

Malutkie urządzenia termiczne, MEMS-y, pod wpływem styku z ciepłą powierzchnią wykonują cykliczne ruchy mechaniczne.   Każdy taki ruch powoduje, że miniaturowy element mechaniczny (magiczny pasek specjalnie spreparowanego materiału), uderza w membranę piezoelektryczną i generuje impuls elektryczny. Można to przetwarzać też w sposób elektromagnetyczny.  Generator HEATEC nie posiada żadnych części rotacyjnych i wydaje się być najprostszą, znaną maszyną termiczną.

– Te generatory mają rozmiary centymetrowe, a nawet subcentymetrowe – podkreśla autor wynalazku –  Pierwsze prototypy o wielkości 100 mikrometrów wykonaliśmy we Francji, w firmie STMicroelectronics z którą byłem związany ponad 30 lat. Kolejne  w  laboratoriach Komisariatu ds. Energii Atomowej  (CEA) w Grenoble, na kanadyjskim Uniwersytecie Sherbrooke w Quebecu, w warszawskim instytucie ITE, na Politechnice Łódzkiej (w ramach polsko-francuskiego doktoratu nadzorowanego wspólnie z profesorem Z. Lisikiem), a także w innych instytutach m.in. w EPFL w Szwajcarii, z którymi wiele lat współpracowałem. Wszystkie te prototypowe urządzenia działają przy bardzo małych różnicach temperatur, rzędu pojedynczych stopni, a nawet przy jednym stopniu różnicy.

Unikatowe rozwiązanie

Jak dotąd jest to unikatowe rozwiązanie, z którym uczeni w Cezamacie wiążą duże nadzieje. Obecnie pracują nad zamianą energii mechanicznej w elektryczną. Wykonane w Grenoble węzły Internetu Rzeczy rozwijane obecnie w Cezamacie potrzebują  zaledwie 100 mikrodżuli energii na przeprowadzenie całego cyklu, czyli dokonania pomiaru, przetworzenia informacji w mikroprocesorze i wysłania jej drogą radiową na zewnątrz. To jest niezwykle znikoma ilość energii

– Te generatory produkują ok. 10 mikrodżuli energii na sekundę, a nam potrzeba jest 100 mikrodżuli na cały proces – podsumowuje prof. Tomasz Skotnicki. –Gromadzimy więc kolejne porcje energii w buforze, w takim pojemniku energii. Może to być zwykły kondensator. Po jego naładowaniu energia z naszego generatora dochodzi do poziomu tych 100 mikrodżuli.  Dopiero wtedy uruchamiamy akt pomiaru, przetworzenia informacji  oraz jej przesłania.  Potwierdziliśmy już doświadczalnie, że ten mechanizm działa doskonale.

Praca węzła IoT nie jest ciągła. Czujnik uruchamia się co pewien czas. Przykładowo, informacje o stanie licznika wody czy gazu w mieszkaniu  przekazuje  się okresowo, a nie w sposób ciągły.  W związku z tym tak mała produkcja jak 10 mikrowatów  jest całkowicie wystarczająca dla potrzeb Internetu Rzeczy.

Jeszcze niedawno uruchomienie urządzenia elektronicznego, czujnika czy mikroprocesora z produkcją mocy uzyskiwanej w niekorzystnych warunkach na poziomie ok. 10 mikrowatów byłoby kompletnie niemożliwe, ale postęp w tej dziedzinie jest ostatnio kolosalny.

Kodowanie informacji wysyłanych przez system bezprzewodowych czujników, jest kolejną, kluczową technologia, rozwijaną w Cezmacie. Zanim przekazywane informacje trafią do ich dalszego przetworzenia przez serwery i komputery przy wykorzystaniu określonych algorytmów, przez jakiś czas będą dostępne w przestrzeni. To rodzi pewne niebezpieczeństwo, ponieważ  po nieuprawnionym przechwyceniu można wprowadzić do nich  fałszywe dane. Taki system stałby się wtedy poważnym zagrożeniem, a nie rozwiązaniem problemu, który ma ostrzegać np. przed zbliżającym się kataklizmem  czy atakiem terrorystycznym.  Internet Rzeczy jest narzędziem niezbędnym do kontrolowania naszego otoczenia  i zapewnienia bezpieczeństwa, dlatego tak ważny jest także szybki rozwój technologii szyfrowania informacji – cyberbezpieczenstwa, nad którą intensywnie pracują również uczeni w Cezamacie.

(JC)