Реферат "Smart Dust (Розумний пил)"

Название:
Smart Dust (Розумний пил)
Тип работы:
реферат
Размер:
5,1 M
25
Скачать
Загальне поняття про розумний пил. Конструкція: передавач інформації, прототипи. Cots dust, michigan micro motes. Сфери застосування: будівлі та мости, попередження стихійних лих та прогнозування погоди. Мікророботи, мікросенсори в організмі людини.

Краткое сожержание материала:

[Введите текст]

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Реферат

на тему: “Smart Dust (Розумний пил)”

Львів 2013

Що таке Smart Dust

Smart dust - термін, використовуваний для опису мережі з малих бездротових мікроелектромеханічних систем (МЕМС) і додаткових пристроїв, які можуть взаємодіяти між собою і отримувати дані про стан зовнішнього середовища (наприклад температуру, освітлення, тиск).

Передбачається, що базові елементи « розумного пилу » - моти ( англ. mote - порошинка), в підсумку будуть розміром c частку піску або навіть пилу. Кожен мот має власні сенсори, обчислювальний вузол, комунікацію та живлення. Групуючись разом, моти автоматично створюють дуже гнучкі мережі з малим енергоспоживанням. Області їх застосування можуть варіюватися від систем управління кліматом до пристроїв для розваги, взаємодіючих з іншими інформаційними пристроями.

Поняття розумного пилу ( англ. smartdust ) було введено Kristofer S. J. Pister (університет Каліфорнії) в 2001 році, хоча раніше ті ж самі ідеї були запропоновані в науковій фантастиці (повість Станіслава Лема «Непереможний », 1964 рік). Випущений в 2005 році огляд обговорює різні методи, які можуть звести розміри мотів розумного пилу в мережах датчиків від міліметра до мікрометра.

Спектр використання таких пристроїв є надзвичайно великим, починаючи від прогнозування погоди, закінчуючи військовими застосуваннями. Наведемо кілька можливих сфер використання:

Контроль якості будівель та мостів. Мініатюрних датчиків можуть бути вмонтовані в несучі конструкції для відстеження змін та попередження аварій. За допомогою цих датчиків можна в прямому сенсі брати інформацію зі стелі і моніторити стан конструкції.

Попередження лісових пожеж та інших стихійних лих. Датчики, розпилені по території, здатні зафіксовувати зміни температури, тиску, вологості, тощо. За допомогою цієї інформації можна завчасно приймати міри по локалізації лиха та зменшенню збитків.

Військові застосування. Розпилені з літака пилинки можуть використовуватись в якості шпигунів для збору важливої інформації про противника, або навіть, несучи на собі мікро-заряди вибухівки, виводити з ладу апаратуру.

Детальніше способи та сфери застосування концепції «розумного пилу» розглядаються в розділі 4.

Конструкція

розумний пил мікроробот мікросенсор

Конструкція мікромініатюрних датчиків системи «Розумний пил» включає: систему електроживлення, набір датчиків, інтегральну схему та пристрої зовнішнього зв'язку. По обчислювальним можливостям кожен датчик, як вважають його розробники, в перспективі буде відповідати процесору «Intel 8086».

Система електроживлення включає товстоплівкову батарею, сонячний елемент та інтегруючий конденсатор для періоду темряви. Залежно від своєї мети, моти можуть містити різні датчики, для збору різноманітної інформації, в тому числі датчики світла, температури, вібрації, магнітного поля, вітру тощо. Інтегральна схема датчика забезпечує обробку сигналів, зв'язок, управління, зберігання даних і управління енергоспоживанням. Пристрої зовнішнього зв'язку представлені блоками фотоприймача, лазерного передавача і кутового відбивача. До складу блоку лазерного передавача входить напівпровідниковий лазер, колліматорна лінза Френеля і дзеркало. Дзеркало розміщено на відхиляючому пристрої (на якому згодом передбачається розмістити і фотоприймач), за допомогою якого випромінювання передавача може поширюватися в будь-якому напрямку в межах уявної півсфери, що спирається на площину основи датчика. На рисунку 1 зображена концептуальна схема моту.

Рисунок 1 - Концептуальна схема моту

Передавач інформації

Інформація про положення відхиляючого пристрою при проведенні сеансів зв'язку датчика з різними зовнішніми абонентами може потім зберігається в запам'ятовуючому пристрої для відтворення цих положень при подальших сеансах зв'язку з абонентами. Зовнішнім абонентом датчика, до якого надходить зареєстрована ним інформація, служить центральна станція. Пристроями дуплексного зв'язку цієї станції є фотоприймач модульованого оптичного випромінювання, що надходить від датчика, демодулятор і дешифратор отриманого сигналу, а також лазерне джерело випромінювання.

Передача інформації від датчика на центральну станцію здійснюється в активному або пасивному режимах.

У разі активного режиму використовується лазерний блок датчика. Цим блоком генерується випромінювання, імпульсно промодульоване відповідно до сигналів первинного перетворювача. Лазерний передавач споживає відносно велику потужність, величина якої становить близько 1 мВт. Тому сеанс зв'язку в такому режимі може тривати протягом короткого проміжку часу. Передача інформації при цьому здійснюється, як вказують розробники датчика, або на відстані декількох кілометрів при низьких швидкостях потоку інформації, що передається, або на значно менші відстані, але при високих швидкостях потоку, що досягають декілька Мбіт/с.

Рисунок 2

При пасивному режимі використовується кутовий відбивач. Конструктивно він складається з трьох взаємно-перпендикулярних площин, виконаних з полікристалічного кремнію з плівковим покриттям з золота. Одна з площин відбивача пов'язана з електростатичним приводом (актюатором), який може відхиляти цю площину від її вихідного положення, що дозволяє здійснювати імпульсну модуляцію відбитого випромінювання лазера центральної станції.

Рисунок 3

Відбите лазерне випромінювання направляється кутовим відбивачем строго назад до центральної станції і одночасно модулюється згідно з сигналами первинного перетворювача. Кут падіння вихідного оптичного випромінювання на кутовий відбивач повинен збігатися з віссю симетрії, що проходить через точку сполучення площин відбивача, і витримуватися з допуском в кілька десятків градусів. З метою зниження вимог з боку пристроїв зовнішньої зв'язку до орієнтації датчика його конструкція може містити кілька кутових відбивачів різної спрямованості. Однак у цьому випадку зростають габарити датчика. Експериментально здійснена передача інформації в пасивному режимі від датчика на центральну станцію, віддалену на 150 м (при вихідний потужності лазера базової станції - 5 мВт і швидкості потоку, що передається інформації - 1 Кбіт/с). Розробники датчика відзначають, що швидкість цього потоку може бути збільшена в декілька разів при відстані між центральною станцією і датчиком в кілька сотень метрів (в умовах яскравого сонячного освітлення). Вночі при відсутності руху повітря ця відстань може бути збільшено до декількох кілометрів.

Таким же чином в пасивному та активному режимах може здійснюватися зв'язок між двома датчиками. При цьому пристрої зв'язку одного з них функціонують як аналогічний пристрій центральної станції.

Прототипи

COTS DUST.

Рисунок 4 - Пристрій «weC mote»

Пристрої COTS(commercial-off-the-shelf components) пилу мають всі основні функціональні можливості «розумного пилу», але є більшими в розмірах. Замість кубічного міліметра в розмірі, розмір цих пристроїв складає близько кубічного дюйму. COTS Пил може служити в якості платформи для запуску різних алгоритмів для тестування різних поведінок, що буде проявляти розумний пил.

Існує багато розроблених пристроїв типу COTS DUSТ різноманітного призначення. Наведений на рисунку 3.1. пристрій має назву «weC mote». Він містить вбудовану PCB антену а також датчики світла та температури. З процесором тактовою частотою 4 МГц, «weC mote» може обробляти досить великі об'єми інформації. Проте, реальна перевага weC в тому, що конфігурація устаткування підтримує віддалене перепрограмування чіпа Atmel. По суті, це дозволяє перепрограмувати мот по бездротовій лінії зв'язку.

Пристрої типу COTS Dust є дуже гнучкими для змін та модифікацій, що дозволяє заміну датчиків відповідно до призначення.

Michigan Micro Motes (M3).

У Мічиганському університеті нещодавно створили прототипи мініатюрних комп'ютерів, які отримали назву Мichigan Micro Motes, або М3. За словами одного з розробників проекту, професора Прабала Дати, основною проблемою при створенні пристроїв, розмір яких складає лише 1 кубічний міліметр, є не мініатюаризація основних елементів, таких як процесор, датчики, пристрої прийому та передачі інформації, а створення джерела живлення, що при незначних розмірах здатне підтримати довготривалу роботу комп'ютера.

Одним з шляхів подолання цієї проблеми є використання активних генераторів енергії, що можуть виробляти електроенергію від навколишнього середовища. Так наприклад, один мот може заряджатись від сонячної енергії, інший - використовуючи різницю температур, третій від залишкових електромагнітних хвиль, тощо.

На рисунку 5 зображений мот M3.

Рисунок 5 - Мот М3(Michigan Micro Motes)

Мот М3 складається з лінзи, теплової та сонячної батареї, що за допомогою сонячного світла або тепла здатні заряджати основну батарею пристрою, процесора, блоку пам'яті, радіо-елементу та основної батареї. Графічне зображення складових частин моту представлене на рисунку 6.

Рисунок 6 - Складові частини...

Похожие файлы
Hugh Howey
Tom Morrow, Tom Morrow, Tom Morrow, Tom Morrow