Микросистемная технология и беспроводные сенсорные сети: совместное будущее

Введение

Развертывание беспроводных сенсорных сетей целесообразно, прежде всего, там, где использование традиционных проводных технологий создает трудности для подключения сенсорных узлов.

Перечень проблемных ситуаций включает:

• Необходимость размещения датчиков в труднодоступных для человека местах.
• Наличие удаленных или географически распределенных датчиков, расстояния до которых от центрального процессора или логгера/маршрутизатора являются значительными (десятки и сотни метров или километры).
• Размещение проводов нарушает нормальную работу машин и сооружений.
• Присутствие в электронике, носимой человеком, в особенности — имплантируемых датчиков.
• Среда, в которой должен работать датчик, исключает или осложняет электрическое подключение посредством проводов (вода, экстремальные температуры и т. п.).
• Сетевые мультисенсорные узлы безальтернативно требуют взаимодействия между собой и избыточного числа сигнальных проводов (в дополнение к проводам питания).
• Провода значительной протяженности создают помехи для прохождения сигнала плюс помехи по цепям питания.
• Применение проводов ограничено форм-фактором датчика.
• Системная цена/стоимость проводов ограничена.

Все эти ситуации подводят к тому, чтобы рассматривать альтернативные возможности применения беспроводных методов подключения датчика. Чтобы сенсорная сеть могла именоваться беспроводной (Wireless Sensor Network, WSN), а соответственно, также и узел, необходимо выполнение важнейшего условия осуществления беспроводным способом сигнальной коммуникации с системным ресивером или базовой станцией. В беспроводной сети WSN-датчик должен иметь возможность питания от близко расположенного источника.

Беспроводная сетевая коммуникация с датчиками становится легко реализуемой благодаря доступности технологий Wi-Fi, IEEE 802.15.4/ZigBee, Bluetooth, 6LoWPAN, GPRS, GPS. В зависимости от ситуации и используемого протокола возможна организация сетевой сенсорной коммуникации в лицензированной или нелицензированной частотной полосе и развертывание не только «звездной», но и самоорганизующейся ad-hoc сети любого масштаба, дающей возможность подключения к ней мобильных узлов. Сеть ad-hoc по определению характеризуется отсутствием централизованных точек доступа и возможностью узлового взаимодействия между собой. Это используется как для множественной передачи пакетов данных (multi-hop), так и для реализации дистанционного пользовательского интерфейса с узлами через веб-сервер.

Для достижения полной классификационной принадлежности к беспроводным устройствам питание датчика также должно быть беспроводным. Беспроводное питание возможно за счет применения одного из следующих методов:

• батарейное питание;
• питание от энергии радиочастотного сигнала опроса;
• использование интегрированных источников энергии — генераторов;
• применение технологий адаптивного сбора энергии (Energy Harvesting).

Уровень батарейных технологий за последние годы повысился настолько, что стало возможным непрерывное питание беспроводного узла в течение нескольких лет без замены батареи. Современные датчики на основе технологий МЭМС, КМОП или микросистем, объединенные с микроконтроллерами, являются маломощными устройствами. Повышению срока службы батареи способствуют различные интеллектуальные методы контроля расхода энергии. К ним относятся опрос по ID (polling) и опрос по требованию (on-demand) датчика в мобильной сети. Это позволяет понизить рабочий цикл сенсорного устройства, пребывающего остальное время, к примеру, в спящем режиме. А питание сенсорного узла при наличии в системе адаптивного собирателя энергии (Energy Harvester, «энергохарвестер»), дополненного устройством для заряда и переключения режимов работы батареи, делает срок службы устройства теоретически бесконечным [1, 2]. По данным IdTechEx, в 2011 г. рынок энергособирателей достиг $700 млн. Примерно 1,6 млн единиц собирателей энергии уже используется в беспроводных датчиках, что дало $13,75 млн. IdTechEx ожидает, что в ближайшие несколько лет эта цифра достигнет $200 млн (www.idtechex.com).

Спектр беспроводных сенсорных решений

На рис. 1а показан мультисенсорный колесный модуль системы TPMS от Freescale (www.freescale.com). Это пример системной реализации беспроводных мультисенсорных технологий в автомобиле. Системы прямого контроля давления шин (TPMS), в которых различные датчики, объединенные в модуль высокого уровня интеграции (датчики давления, температуры, ускорения, напряжения/состояния батареи), питаются от одной 3-В батареи. Их назначение — информирование водителя о состоянии шины на каждом колесе [3].

Рис. 1. Примеры беспроводных сенсорных модулей:
а) батарейный колесный модуль TPMS от Freescale с интегрированным ресивером и трансмиттером;
б) безбатарейный RFID-датчик TPMS от Transense;
в) вибрационный собиратель энергии от Perpetuum, питающий акселерометр

С целью продления срока службы батарей TPMS разработаны методы опроса по требованию, когда с датчика снимаются сигналы только в моменты посылки сигнала опроса с центрального процессора (125 кГц), в остальное время датчик находится в спящем режиме для экономии электроэнергии. Обмен данными производится по беспроводному каналу на 315/434 МГц.

Беспроводной обмен данными с ЦП является также средством передачи радиочастотной энергии на расстояние. Данный факт используется в безбатарейных концепциях TPMS, в которых радиочастотная энергия входящего сигнала захватывается с целью использования для питания колесных датчиков TPMS. Безбатарейная TPMS включает индуктивно связанные схемы или другие, дающие возможность беспроводного питания (термопары, резонаторные схемы). Резонаторный датчик TPMS от Transense (www.transense.com) показан на рис. 1б.

Все это рассчитано на то, чтобы избавить владельца автомобиля от замены батарей и снизить стоимость эксплуатации автомобиля. Но батарейные TPMS получили более широкое распространение, чем безбатарейные, что обусловлено сравнительной простотой их реализации, наличием недорогих высоко интегрированных решений, а срок службы современных датчиков, который находится в зависимости от типа используемой батареи, уже превышает 10 лет. Но за пределами TPMS проблемные ситуации могут потребовать только безбатарейных решений.

Одно из них представляет собой беспроводной узел, включающий акселерометр, питаемый от вибрационного собирателя энергии от Perpetuum (www.perpetuum.com), дополненного средствами сбора и запаса энергии, который показан на рис. 1в. Электромагнитный микрогенератор PMG резонансного типа может захватывать низкие уровни вибрационной энергии, суперконденатор CAP-XX запасает эту энергию и отдает ее в виде коротких высокомощных импульсов (bursts) для питания и передачи данных мониторинга состояния.

Одним из примеров применения беспроводного акселерометра может стать мониторинг подшипников, состояние которых влияет на срок их службы и качество работы. Беспроводные датчики вибрации и температуры допускают переход от ресурсоемких схем к более компактным и недорогим.

Промышленная автоматизация, удаленный структурный мониторинг (мостов), мониторинг состояния (деталей машин), машинные беспроводные сети, контроль окружающей среды (датчики солнечной радиации, температуры, влажности, сейсмические датчики), оптимизация работы центров данных (мониторинг температуры и влажности), беспроводные счетчики для ЖКХ или носимые датчики на теле человека — все это текущие и будущие примеры беспроводных сенсорных сетей.

Согласно концепции SmarterPlanet IBM (www.ibm.com), интеллектуальность становится атрибутом ключевых отраслей — от промышленности до здравоохранения и социальной сферы, от транспорта до сельского хозяйства. Это также надо понимать как вызов для разработок беспроводных сенсорных сетей, предназначенных повысить характеристики и надежность работы объектов и систем.

Рис. 2. Аппаратные компоненты и программные средства для WSN от MicroStrain:
а) беспроводной сенсорный узел (V-LinkmXRS беспроводной датчик напряжения);
б) шлюз (WSDA-Base 101);
в) ПО Node Commander;
г) программная платформа Sensor Cloud;
д) беспроводной самопитаемый сенсорный узел EH-Link

В рамках проекта Smarter Planet также было разработано беспроводное сетевое сенсорное решение для непрерывного мониторинга вибрации посредством недорогих батарейных МЭМС-датчиков. Применения включают мониторинг сейсмической активности Земли для предотвращения землетрясений, разведки месторождений нефти и газа, измерение вибрации буровых установок, зданий, мостов, транспорта и др.

Каждое устройство автономно вычисляет максимальную амплитуду и доминирующую частоту виброскорости в точке. Если вычисленное значение превышает предустановленное пороговое, генерируется тревога. Для правильного действия в случае тревоги значения параметров вибрации направляются от сенсорного узла к шлюзу и приложению.

Hewlett-Packard (HP) и Royal Dutch Shell сотрудничают в разработке беспроводных сенсорных сетей для обнаружения нефти и газа на основе оригинальной технологии высокочувствительных МЭМС-акселерометров, разработанной HP [1, 4].

HP и Shell развертывают сенсорную систему для получения высокоразрешающей сейсмической карты. Это первое коммерческое применение концепции CeNSE (центральной нервной системы Земли), в котором вызовом для технологических инноваций стала интеграция беспроводных узлов с радио и батареями или солнечными ячейками.

Достаточно много примеров беспроводных сенсорных продуктов имеется в линейке датчиков от MicroStrain (www.microstrain.com), включая датчики напряжения, ускорения, перемещения, давления и другие. Беспроводные датчики работают в составе беспроводной сенсорной сети с базовой станцией и ПО.

В прошлом году MicroStrain представила беспроводную сенсорную систему, получившую сокращенное название mXRS (MicroStrain Extended Range, Synchronized) — синхронизированная и с расширенным диапазоном. Эта разработка, о которой уже упоминалось в [1], была отмечена серебряной наградой в категории Data Acquisition («Сбор данных») на прошедшем в 2011 г. мероприятии Sensors Expo&Conference.

WSN на основе беспроводных сенсорных узлов допускает высокоскоростной одновременный обмен данными с различными датчиками, один из примеров которых показан на рис. 2а. Дальность действия датчиков, питающихся от литий-ионной батареи, достигает 1 км.

Линейка беспроводных сенсорных узлов mXRS включает:

• V-Link-mXRS Wireless Voltage Node — трансивер, собирающий аналоговые данные напряжения для высокоскоростных WSN.
• SG-Link-mXRS Wireless Strain Node — прецизионное устройство для измерения механического напряжения, крутящего момента, нагрузки, давления и магнитных полей.
• G-Link-mXRS Wireless Accelerometer Node — трехосевой акселерометр для измерения ускорения, вибрации, наклона.
• DVRT-Link-mXRS Wireless Displacement Node — датчик перемещения на основе технологии MicroStrain DVRT.
• TC-Link 6-mXRS Channel Wireless Thermocouple Node — шестиканальный узел на основе термопар типов J, K, R, S, T, E, B, N.
• TC-Link 1-mXRS Channel Wireless Thermocouple Node — одноканальный узел на основе термопар из числа типов, перечисленных выше.

Коммуникация с датчиками осуществляется на нелицензированной частоте 2,4 ГГц посредством протокола IEEE 802.15.4.

Сенсорные сети включают беспроводные шлюзы — агрегаторы данных WSDA-Base и ПО Node Commander.

«Сердцем» системы mXRS от MicroStrain является базовая станция WSDA-Base (рис. 2б) для синхронизации и координации снятия сигналов с сенсорных узлов. Пользователи могут легко программировать каждый узел в масштабируемой сети для различных режимов снятия сигнала (одновременного, периодического или burst-сэмплинга) посредством многофункционального ПО Node Commander (рис. 2в).

Платформа SensorCloud («сенсорное облако») — программное средство следующего уровня, запасающее сенсорные данные и выполняющее визуализацию и удаленный контроль больших сенсорных сетей (рис. 2г).

SensorCloud разрабатывалась MicroStrain для собственных датчиков, но в настоящее время допускается подключение через открытие API-устройств и систем других производителей.

SensorCloud включает:

• средства надежного запаса избыточных сенсорных данных;
• средства графической визуализации для удобной пользовательской навигации;
• математический процессор MathEngine;
• средства SMS и e-mail предупреждений.

Целевые применения SensorCloud — удаленный структурный мониторинг (мостов), мониторинг состояния (деталей машин), машинные беспроводные сети, окружающей среды, оптимизация работы центров данных, виртуальный «сенсинг» с применением MathEngine (для расчетов прогнозов вместо непосредственного съема и анализа сенсорных данных) и др.

В портфолио MicroStrain есть также беспроводной самопитаемый сенсорный узел EH-Link (рис. 2д), способный собирать энергию от окружающих источников. EH-Link совместим с широким набором типов генераторов, включая пьезоэлектрические, электродинамические или термоэлектрические генераторы, солнечные ячейки.

MicroStrain сотрудничает с компанией Smart Material (www.smart-material.com), и EH-Link, в частности, совместим со входом от генераторов MFC типа P2. P2- и P3-типы MFC разработаны для вибрационных собирателей энергии нерезонансного типа. MFC поставляются не прикрепленными к структуре или кантилеверу, что допускает их гибкое использование. При прикреплении к кантилеверу типичный выход мощности на ускорении в 1g, 10 Гц и механическом напряжении 800 ppm за 30 с достигает 390 мДж, или 13 мВт.

Методы преобразования энергии в EH-Link позволяют значительно снизить потребление мощности, типичное для беспроводного узла в сети MicroStrain на основе стандарта 802.15.4, дальность коммуникации составляет до 70 м.

В применениях, где вибрационные машины или структуры находятся под нагрузкой, EH-Link может питаться от малого генератора или от любого высокоимпедансного источника, вырабатывающего 5–20 В AC или DC (генераторы на основе методов пьезоэлектрического, электродинамического, электромагнитного, фотовольтаики) или переменного напряжения емкостного разряда CDV 20–130 В. Вход с ультранизким напряжением ULV (Ultra-Low Voltage) допускает возможность питания EH-Link от термоэлектрического генератора Пельтье (термопары) и постоянных напряжений порядка 0,02–0,6 В при температурном градиенте менее 8 °C.

Другими примерами беспроводных сенсорных сетей могут послужить разработки Libelium (www.libelium.com) [1]. В рамках мероприятия Sensors Expo&Conference компания была отмечена бронзовой наградой за разработку беспроводной радиационной сенсорной платы (рис. 3а). Назначение устройства состояло в измерении уровней радиации в опасных зонах, что было мотивировано ядерным бедствием в Фукусиме, случившемся после землетрясения и цунами. Автономный батарейный счетчик Гейгера способен автоматически считывать уровни радиации в течение нескольких лет срока службы батарей и посылать информацию посредством беспроводных технологий ZigBee, GPRS и им подобных. Множество датчиков может быть размещено вокруг ядерной электростанции и в ближайших городах (рис. 3б). Сенсорные узлы могут инсталлироваться в уличное освещение, деревья, проработана возможность их дополнительной подзарядки от солнечных панелей, помимо батарейного питания. В чрезвычайных ситуациях в случае утечки радиации сеть может быть развернута незамедлительно, при этом для питания датчиков предусмотрены батареи, допускающие высокую нагрузку.

Рис. 3. Беспроводные сенсорные узлы и сети от Libelium:
а) радиационная плата;
б) иллюстрация развертывания WSN для контроля радиации

Данное решение стало частью линейки беспроводных ультрамаломощных сенсорных продуктов от Libelium под общим названием Waspmote. Сенсорные платы, разработанные для интеграции с Waspmote посредством соединителей на платах, объединяют датчики газа, движения, парковки и применяются для создания беспроводных сенсорных сетей с использованием протоколов 802.15.4, ZigBee, Bluetooth, RFID, Wi-Fi, GPRS, GPS [1]. Для создания сетей различной конфигурации, подключения их к Интернету, серверным и другим сетевым ресурсам предназначен роутер под названием Meshlium — аппаратный продукт, представленный в различных моделях для подключения согласно используемому протоколу и дополненный ПО для конфигурирования WSN.

В 2011 г. Libelium анонсировала также введение OTA (Over-The-Air Provisioning, OTA) — решения, которое лежит в основе беспроводного программирования сенсорных сетей (Over-The-Air Programming, OTAP) и Интернета вещей (Internet of Things, IoT [10]). Данная технология допускает программное обновление физических сенсорных узлов без физического контакта в нелицензированной частотной полосе (2,4 ГГц, 868 МГц, 900 МГц) с использованием протоколов типа 802.15.4 и ZigBee и характеризуется низким потреблением мощности.

Рассмотренные примеры наглядно показывают, что WSN в ближайшем будущем способны охватить сферы в масштабах дома, автомобиля, предприятия, города, планеты и космоса.

Будущее беспроводных сетей зависит от питания

Для массового развертывания беспроводных сенсорных сетей в настоящее время имеется существенное ограничение, состоящее в необходимости удержания достаточного заряда батарей длительное время. Батареи, например, широко используются для питания различных потребительских и портативных устройств, носимых человеком. В том случае, если батареи могут работать длительное время и имеется возможность осуществлять их ручную замену (по возможности реже), батареи применяются и для питания датчиков. Следует отметить, что большинство применений батарейных датчиков информационные, в которых датчики индицируют состояние одного или нескольких системных параметров, но снимаемые с них сигналы или не участвуют в автоматизированном управлении, где важна безотказность обратной связи, или применяется ее резервирование.

Уровень батарейной технологии повышается, что иллюстрирует рассматриваемый далее пример батарей от mPhase Technologies. Батареи также могут быть реализованы на основе микросистемных или МЭМС-технологий, и в комбинации с интеллектуальными методами управления питанием это делает возможным повышение срока их службы до 60 лет, а это открывает новые возможности для поиска применений батарей при развертывании беспроводных сетей.

В тех случаях, когда требуется непрерывная работа датчиков в недоступном окружении, или если эксплуатацию системы замена батарей осложняет, альтернативой являются технологии автономной генерации энергии. К ним относятся энергохарвестеры.

Одним из способов решения проблем с питанием датчиков в условиях растущего дефицита электроэнергии является применение пассивных сенсорных технологий. К ним относятся индуктивные датчики (Variable Reluctance, VR), ПАВ, микроболометры — обычно в проводном исполнении. Для решения проблемы питания беспроводного узла датчик должен не только преобразовывать измеряемый сигнал, несущий энергию интерфейсной среды — электромагнитную, тепловую, солнечную, механическую, химическую — в электрический сенсорный сигнал, но и преобразовывать доступную энергию в количестве, достаточном для ее беспроводной передачи на необходимое расстояние.

Концепция энергохарвестеров базируется на наличии в окружающей датчик среде множества доступных источников энергии в различных формах — механической, тепловой, радиочастотной, которая может быть не только измерена, но и захвачена, запасена и использована для питания беспроводного сенсорного узла и других сетевых компонентов. Возможно комбинированное использование различных доступных источников энергии, например механической и тепловой, радиочастотной (питание узла по входящему радиоканалу) и механической.

Если беспроводная сенсорная сеть или сенсорный узел имеет возможность собственной генерации энергии для питания, это допускает его длительную и бесперебойную работу без вмешательства человека, а также дает значительные системные выгоды в плане характеристик, надежности и цены. Назначение энергособирателя — питание узла электричеством, которое может запасаться в батарее или суперконденсаторе.

Это также возможность повышать доступный выход мощности для двигателей и актюаторов. Надежность энергособирателя не ограничена извне, для его работы необходимо только наличие энергетической среды.

Повышение срока службы и выхода мощности автономно питаемого беспроводного узла — это задачи, не зависящие от типа используемого источника питания (батарея или собиратель энергии). Автономизация питания на всех уровнях системной интеграции (макро-, микро- и нано-) — важнейшая тенденция в эволюции беспроводных сенсорных сетей. Следующий пример показывает, какие возможности для решения этих задач предоставляют микросистемные технологии.

Батареи на основе технологии микросистем

Компания mPhase Technologies (www.mPhaseTech.com) разработала технологию под названием Smart Surface, системно объединяющую достижения в области нанотехнологий, МЭМС и микрофлюидики (рис. 4) [5]. Потенциальные применения технологии — в системах поставки лекарств, лабораторий на чипе, системах самоочистки, фильтрации, жидкостных и химических сенсорных системах.

Рис. 4. Микросистемная батарейная технология Smart Nano Battery от mPhase:
а) устройство и принцип работы;
б) принцип работы батарей Always Ready

Технология практически использует явление электросмачивания — электронной манипуляции путем жидкости в контакте с твердой или пористой поверхностью, и позволяет управлять жидким электролитом посредством оригинальной кремниевой структуры — пористой мембраны, объединенной с батарейной структурой. Переключаемая (триггерная) мембрана выступает в качестве барьера, отделяющего электролит от положительного и отрицательного электродов. В активированном состоянии триггер допускает течение в камеру электролита к электроду, химическую реакцию, производство выходного напряжения (1,5 В для Zn/MnO₂ и 3 В для Li/MnO₂).

Первый продукт на основе данной технологии получил название Smart NanoBattery. AlwaysReady Smart NanoBattery (рис. 4б) допускает интеллектуальное управление питанием. Технология может обеспечивать срок службы до 10 лет, но с последовательным переключением три ячейки могут обеспечивать тридцатилетний срок службы, шесть ячеек — шестидесятилетний. Вначале включается первая ячейка, затем вторая и третья — посредством селективной электронной активации.

Применение микросистемной технологии для батарей — это, с одной стороны, возможность повысить срок службы и уровень интеграции беспроводных сенсорных узлов WSN, а с другой — интеграция собирателей энергии. Миниатюризация собирателей энергии до уровней МЭМС или нано открывает большие перспективы для их системной интеграции с сенсорными узлами и позволяет повысить их рабочие характеристики.

Микромеханические и нано-собиратели энергии

Рис. 5. Вибрационные МЭМС-энергохарвестеры IMEC:
а) пьезоэлектрические собиратели энергии разного размера, видимые сквозь стеклянные корпуса;
б) автономный беспроводной датчик температуры, питаемый от вибрационного собирателя энергии

В настоящее время выделяются следующие технологии собирателей энергии:

• вибрационные энергособиратели (Vibration Energy Harvesting, VEH);
• термоэлектрические генераторы (Thermoelectric Generator, ТЭГ или TEG);
• солнечные ячейки.

Более детально рабочие принципы собирателей энергии описаны в статье [2]. Встроенные датчики стремятся к миниатюризации, и интеграция энергохарвестеров с сенсорными узлами является вызовом для новых разработок.

IMEC (www.imec.be) разработали МЭМС-технологию, совместимую со CMOS, — для производства пьезоэлектрических вибрационных энергохарвестеров, и представили первый прототип полностью автономного беспроводного датчика температуры, питаемого от вибрации (рис. 5а, 5б). Собиратель энергии включает кремниевую массу, подвешенную на кантилевере, с пьезоэлектрическим материалом AlN между металлическими электродами. Максимальный выход напряжения на электродах под действием вибрации достигается на частоте, близкой к резонансной. В настоящее время выход мощности энергохарвестера составляет уже 489 мкВт, что достигается на резонансной частоте в 1011 Гц. Объявленная цифра значительно превышает прежний показатель в 85 мкВт [1, 2].

IMEC прорабатывают возможность реализации TPMS на основе данного решения. Удары, толчки приводят к смещению массы и вызывают ее колебания на собственной резонансной частоте. В шине на скорости 70 км/ч новое устройство поставляет уже 42 мкВт, что достаточно для питания беспроводного сенсорного узла. В зависимости от Q-фактора (добротности) энергособирателя часть механической энергии может быть захвачена.

Исследователи CEA-Leti и Мичиганского университета разработали электростатические МЭМС-собиратели энергии. В лаборатории CEA-Leti были созданы структуры, способные к эффективному преобразованию низко- и высокочастотной вибрации в электрическую энергию благодаря уникальной электродной структуре в виде паттернов (рис. 6). Стабилизированные высокочастотные источники вибрации дают больший выход мощности, но низкочастотные вибрационные источники механической энергии в широкой частотной полосе — более реальное явление в окружении датчиков.

Рис. 6. Адаптивный электростатический МЭМС-собиратель энергии вибрации CEA-Leti

В электростатической структуре Leti электрет, основанный на SiO₂, наносился на сейсмическую массу. Сборка отделяется на несколько микрометров от электродной стеклянной платы. Когда электрет под действием вибрации изменяет свое положение относительно двух электродов, это приводит к изменению заряда в конденсаторе и изменению электрической энергии, питающих электрическую нагрузку. Данный тип отличен от пьезоэлектрической структуры тем, что уровень энергии, преобразуемой за цикл, может регулироваться посредством величины заряда и не зависит от свойств материала.

Исследователи Университета Мичигана (www.umich.edu) представили в 2011 г. пьезоэлектрические объемные МЭМС вместе со схемными элементами для захвата и запаса энергии. Размеры MEMS VEH составляют 27 мм³ (рис. 7). Малый блок может захватывать энергию вибрации в частотной полосе 14 Гц и работает на частоте вибрации 155 Гц, поставляя на выходе 200 мкВт от вибрации порядка 1,5g. Собиратель энергии способен заряжать суперконденсатор или батарею до 1,85 В, что достаточно для питания беспроводного датчика при замене батареи. Исследователи оценивают предполагаемый срок службы данного VEH в 10–20 лет.

Рис. 7. Вибрационный МЭМС-энергохарвестер, разработанный в Мичиганском университете

MicroGen Systems, Inc. (www.microgensystems.com) и Infinite Power Solutions, Inc. (www.infinitepowersolutions.com) на мероприятии Sensors Expo 2011 продемонстрировали полностью беспроводное сенсорное решение в масштабах сети WSN (Wireless Sensor Network), для питания которого были применены технологии МЭМС.

Пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер PZEH (Piezoelectric Vibrational Energy Harvester) от MicroGen, основанный на технологии МЭМС, под названием BOLT060 (рис. 8а), представляет собой устройство на кремниевом кристалле площадью 1 см² или менее, дающее выход мощности до 200 мкВт. Это первый пример коммерческого устройства для сбора энергии вибрации, основанного на технологиях МЭМС. PZEH включен в оценочный комплект THINERGY IPS-EVAL-EH-01 Energy Harvesting Evaluation Kit от IPS (рис. 8б).

Рис. 8. Первое коммерческое применение МЭМС-собирателя энергии вибрации:
а) пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер PZEH BOLT от MicroGen;
б) применение PZEH MicroGen в комплекте THINERGY IPS-EVAL-EH-01

МЭМС-энергохарвестер от ORNL основан на захвате тепла пироэлектрической конденсаторной МЭМС-структурой и может работать, например, от тепла компьютерных кристаллов.

Возможность питания МЭМС от входящей радиочастотной энергии реализована в окулярных контактных линзах, разработанных швейцарской компанией Sensimed (рис. 9) [5]. Первая контактная линза (рис. 9а) от Sensimed летом 2011 г. уже была представлена на рынке, хотя все еще не одобрена для продаж в США.

Рис. 9. Беспроводная МЭМС-линза TriggerFish от Sensimed с сенсорными функциями:
а) иллюстрация применения;
б) устройство и принцип работы

Многофункциональное беспроводное МЭМС-устройство в глазу человека способно выполнять многие сенсорные, дисплейные, актюаторные функции. TriggerFish от Sensimed представляет собой питаемую беспроводным способом контактную линзу (выступающую в данном случае как электромагнитный собиратель энергии), назначение которой состоит в помощи больным глаукомой. Линза непрерывно измеряет кривизну глаза в течение 24 ч с использованием тензорезистивного измерителя типа strain gauge, выполненного по технологии МЭМС и встроенного в линзу (рис. 9б). Выходной сигнал посылается беспроводным способом к адгезивной антенне, подсоединенной к портативному рекордеру тонким гибким кабелем данных. Корректное лечение посредством лекарств обеспечивается выявлением пиков внутриглазного давления и является замещением стандартного тонометра Голдмана.

Ведущие американские ученые в сотрудничестве разработали первый гибридный вибрационный наногенератор, скомбинированный с солнечной ячейкой (рис. 10) [2].

Рис. 10. Гибридный вибрационный наногенератор, скомбинированный с солнечной ячейкой

Наногенераторы используют пьезоэлектрические нанопровода — волосовидные структуры оксида цинка, которые генерируют электрический потенциал при механической нагрузке, поставляя малую мощность.

Но поскольку их эффективность невелика, это компенсируется комбинированием с солнечной ячейкой в гибридном устройстве. Верхний слой состоит из тонкопленочной солнечной ячейки, объединенной с покрытыми краской нанопроводами. Большая поверхность покрытия усиливает захват света. Донный слой представляет собой вибрационный наногенератор. Под действием вибрации зубцы смещаются относительно вертикально выровненного положения, что создает электрический потенциал.

Солнечная ячейка и наногенератор электрически подсоединены к кремниевому субстрату, который служит анодом для солнечной ячейки и катодом для наногенератора. Прототип генерирует 0,6 В мощности от солнечного источника и только 10 мВ от вибрационного, но в перспективе ожидается создание устройств со множественными слоями вибрационных наногенераторов. Целевые применения — в медицинских имплантатах, гибридов — в летательных аппаратах.

Концепция многоуровневой микросистемной интеграции датчиков, МК, ПО, актюаторов в интеллектуальном беспроводном сенсорном узле

Технология МЭМС повышает возможности выполнения сенсорных и актюаторных функций в микроминиатюрном масштабе, в труднодоступных местах. МЭМС в сравнении с макроаналогами отличает:

• более высокая надежность (MEMS можно эксплуатировать при более высоких рабочих температурах, они более устойчивы к ударам, вибрации);
• более высокие характеристики (точность);
• меньший размер;
• более высокая применимость, гибкость;
• сниженное энергопотребление;
• снижение цены по мере достижения объемов.

МЭМС традиционно объединяется с ASIC — для предварительной обработки сигнала, вывода его на интерфейс с хост-МК. В настоящее время концепция интеллектуальных датчиков расширилась до возможности обработки данных от нескольких, в том числе внешних, датчиков на уровне сенсорного МЭМС-компонента посредством встроенного МК, что позволяет далее повышать точность измерений и снижать нагрузку центрального процессора.

Эти преимущества обусловили тот факт, что технология МЭМС сегодня стремительно распространяется в различных сферах — от мобильных устройств до беспроводных сенсорных сетей промышленного, планетарного или космического масштаба.

Следующий уровень системной мультисенсорной интеграции — аппаратно-программная конвергенция интеллектуальных узлов/систем/суперсистем и повышение их автономности [1, 6]. В узлах используются алгоритмы, встраиваемые в микроконтроллеры и ПО, интегрированы входы и выходы для проводной и беспроводной коммуникации с другими сенсорными узлами, шлюзом, хост-процессором, а также актюаторы и преобразователи.

Концепция интеллектуального беспроводного сенсорного узла проиллюстрирована рис. 11. Беспроводной сенсорный узел включает сенсорный блок (преобразователь неэлектрической энергии в электрическую), обрабатывающий блок, трансивер (T/R, трансмиттер/ресивер) сигнала, блок питания и запасающий блок. Беспроводной датчик также представляет собой малое по размеру и маломощное устройство, способное длительное время питаться от перезаряжаемой батареи, экономить и запасать заряд которой возможно посредством электрической энергии, вырабатываемой интегрированными микрогенераторами. Речь идет в первую очередь об адаптивных собирателях энергии (технологиях Energy Harvesting), способных захватывать неэлектрическую энергию от окружающих источников и преобразовывать ее в электрическую для непосредственного питания узла или запаса в батарее.

Рис. 11. Концептуальный беспроводной сенсорный узел WSN с автономным управлением и питанием, основанный на микросистемной технологии (блок-диаграмма)

Развитие технологий микротопливных ячеек для портативной потребительской электроники и микродвигателей (thrusters) позволяет в будущем рассматривать и наличие некоторого запаса химического топлива «на борту» беспроводного интеллектуального мультисенсорного узла, к числу которых можно отнести, например, микроботы или беспилотные летательные аппараты, выполняющие специальные миссии [4–5].

Ввиду того, что многие из датчиков реализованы по технологии МЭМС или микросистем, будущее развитие технологий подводит к тому, чтобы еще более плотно интегрировать с датчиками трансиверы, батареи, энергохарвестеры — не только на уровне чипсета или модуля, но и на уровне мультикристального интегрального компонента или даже кристалла. Становится очевидным, что если и сами устройства, обеспечивающие беспроводной доступ к датчикам, также будут выполнены по технологии МЭМС или микросистем, как датчики, то это даст не только бóльшую миниатюризацию, но и более высокую надежность.

Все возможные уровни интеграции проиллюстрированы рис. 11. Все блоки, показанные на рис. 11, могут быть выполнены по микросистемной технологии и интегрированы на модульном уровне. Цветом обозначено, что без микротопливной ячейки все блоки уже могут быть интегрированы как на модульном уровне, так и на уровне мультикристального интегрального компонента (2D или 3D). Для датчика с ASIC, радиотрансивера и энергохарвестера достижима еще более плотная, возможно, даже однокристальная интеграция.

Известно множество примеров интеграции МЭМС-датчиков с ASIC, в том числе и однокристальной (например, акселерометры Analog Devices). Примером также может послужить автомобильный радар, хотя и проводным способом подключаемый через коннектор, но использующий беспроводные методы передачи на расстояние радиочастотного сигнала к препятствию для его обнаружения и ранжирования (RAdio Detection And Ranging, RADAR) и технологию электронно-сканирующих массивов для антенного переключения. Антенны представляют собой монолитные микроволновые ИС MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) фазовых массивов.

В последние годы получили прогресс в развитии RF MEMS-ключи, интеграция которых с MMIC является следующим логическим шагом в дизайне любых интегрированных многофункциональных блоков для фазовых массивов автомобильных радаров, реконфигурируемых телекоммуникационных систем, мобильных спутниковых платформ, мультимедиасистем WLAN и др. [7]. RF MEMS-компоненты для радаров включают аттенюаторы, ограничители, фазовые переключатели, T/R-переключатели, настраиваемые цепи. Радарные подсистемы, выигрывающие от применений МЭМС, включают активные электронно-сканирующие массивы AESA (T/R-модули), пассивные массивы PESA (линзы, формирователи луча) и радомы (сферические покрытия для защиты антенн).

Те же самые и даже большие возможности имеются для развертывания беспроводных сенсорных сетей с узлами, интегрирующими RF MEMS или MMIC-схемы, реализующие протоколы ZigBee, 6LoWPAN, GPRS или др. RF MEMS-ключи могут быть в значительном количестве размещены на одном кристалле, легко интегрируются с электроникой или другими МЭМС-устройствами. Цифровые программно-контролируемые (настраиваемые) МЭМС ВЧ-матрицы ключей используются для реконфигурации антенн, согласования, фильтрации. Настраиваемые или реконфигурируемые МЭМС-резонаторы и фильтры, допускающие тюнинг резонансной частоты, и другие реконфигурируемые устройства позволяют избежать применения множественных фильтрующих компонентов для различных частот. Их типичные применения состоят в фильтрации и выборе ВЧ-сигналов в схемах и платформах трансиверов (колебательных LC-контурах осцилляторов, контролируемых напряжением (Voltage Controlled Oscillator, VCO), и МЭМС-резонаторов осцилляторов).

Чрезвычайно важным аспектом для функционирования беспроводных сетей является питание. Узкополосное радио остается наиболее обычным способом сенсорной коммуникации, так как потребляет меньше мощности, чем более помехоустойчивые сигналы в рассеянном спектре (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS, и Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Как известно, МЭМС, в особенности емкостные, потребляют меньше мощности. Кроме того, множество сигналов в широкой частотной полосе могут обрабатываться одним маломощным устройством RF MEMS.

Питание беспроводного узла обычно осуществляется от батареи, например тонкопленочной. Но питание для беспроводного сенсорного узла могут обеспечить микротопливные ячейки или батареи, изготовленные по микросистемной технологии. Все они представляют собой силовой источник, который использует оксидированное топливо (водород, метанол, природный газ, бензин и т. п.) для преобразования химической энергии в полезную электрическую.

В топливной ячейке топливо и воздух или кислород разделены электролитом, передающим ионы (H+, OH-) от анода к катоду и наоборот. Фундаментальное ее отличие от батарей состоит в том, что топливная ячейка работает до той поры, пока топливо и кислород поставляются к электродам.

Так как срок службы микротопливной ячейки ограничивается наличием микротоплива, а надежность работы батареи — условиями, то риск сбоя беспроводного устройства позволяет устранить применение технологий адаптивного сбора энергии. Собиратели энергии (включая МЭМС- и нано-) могут применяться не только как дополнение к батареям, но и как самостоятельный источник энергии для датчиков и актюаторов.

Таким образом, более плотная микросистемная интеграция в беспроводном узле преобразователей энергии (датчиков, актюаторов, трансиверов, батарей, энергохарвестеров) является обоснованным вызовом для новых разработок, а на промежуточном этапе некоторые производители уже сделали значительные шаги в том, чтобы повышать уровень интеграции беспроводных датчиков и их характеристики еще на макроуровне.

Беспроводной автономно питаемый датчик вибрации для научных исследований

Новые идеи, рассмотренные в статье, располагают к тому, чтобы находить для них новое практическое использование.

Одним из примеров может стать применение батарей для использования в виброустановке для проведения дальнейших научных исследований, связанных с изучением влияния вибрации на поведение различных датчиков физических величин [8, 9].

Установка представляет собой вибрационный шейкер с регулируемыми параметрами вибрации, обратная связь с которым осуществляется посредством контрольного акселерометра (мониторинг состояния) [8]. Вибрации подвергается тестируемый датчик, которым также может быть, например, акселерометр или датчик магнитного поля. Тестируемый датчик, как правило, основан на микросистемной технологии. Кроме того, вместо высокоимпедансного пьезоэлектрического датчика, используемого в ранних исследованиях, стало возможным рассматривать применение технологий МЭМС. Была также представлена концепция датчика с коррекцией дестабилизирующих факторов, в котором показания акселерометра, контролирующего условия работы, могли бы использоваться для коррекции показаний датчика основных измеряемых величин [9].

Без использования проводов для питания датчиков и снятия с них сигнала конструкция установки могла бы стать более облегченной, сигналы — более помехоустойчивыми, а для разрабатываемого устройства ожидается расширение новых горизонтов миниатюризации, функциональности, характеристик и применимости.

Блок-диаграмма вибрационной установки и датчика с коррекцией механических дестабилизирующих факторов, которую можно считать частным примером реализации концепции беспроводного сенсорного узла, показана на рис. 12. Разработка данного решения продолжается.

Рис. 12. Блок-диаграмма вибрационной установки и датчика с коррекцией механических дестабилизирующих факторов как возможные примеры применения беспроводного сенсорного узла

Заключение

Беспроводные сенсорные системы — перспективная технология, поскольку она позволяет исключить подвод проводов для коммуникации и питания, что особенно актуально для удаленных сенсорных узлов, размещаемых в труднодоступных местах. Уровень технологий современных батарей допускает срок службы сенсорного узла порядка нескольких лет без подзарядки или замены батарей, и батареи стали неотъемлемой частью многих интегрированных (пока на макроуровне) сенсорных узлов.

На данном этапе вызовом для новых разработок беспроводных МЭМС сенсорных узлов становится доступность технологий радиотрансиверов, батарей, собирателей энергии.

Но микросистемная технология применима не только для самих датчиков, на ее основе может быть реализована также вся аппаратная часть для беспроводной коммуникации и питания узлов (актюаторы, преобразователи, энергохарвестеры, микротопливные ячейки, батареи, управляемые интеллектуальной микроконтроллерной ASIC со специальным ПО). Еще более высокие уровни интеграции, интеллектуальности, миниатюризации, характеристик и надежности могут быть достигнуты при более плотной микросистемной интеграции всех перечисленных аппаратных и программных средств в сенсорном узле.