Sensorer som kommunicerar

Tänk dig ett hus, en bil eller en bro där känsliga delar hela tiden kan tala om hur de mår och om de behöver bytas ut. Uppgifterna skickas via Internet, så man behöver inte ens vara i närheten.

Det säger docent Juan Alonso, som leder ett nationellt forskningsprojekt om trådlösa nät av sensorer vid Swedish Institute of Computer Science, SICS. En sensor kan mäta temperatur, ljudnivå, ljus, lufttryck, rörelse, kemikaliehalt eller nära på vad som helst. Flera sensorer kan sättas samman till en enhet och utrustas med små radiokretsar – sändare och mottagare. De innehåller också en liten processor med minne, avancerad programvara och ett batteri. Utifrån mätbehov aktiveras olika sensorer i enheten, eller noden som den också kallas.

När dessa noder placeras ut på olika ställen i en omgivning samarbetar de i ett trådlöst nät för att samla in och skicka information vidare. Trådlösa nät av sensorer är en vidareutveckling av mobiltelefonin, vars snabba framsteg har lett till små och strömsnåla kretsar för radiokommunikation. En annan förutsättning är att själva sensorerna har blivit mycket mindre på senare tid.

– Sensorerna lämnar sin insamlade information till sin processor. Denna bearbetar datamängden och sätter ihop ett enkelt meddelande och låter radiosändaren sända. En närliggande enhet snappar upp meddelandet och skickar det vidare i en bana från sensor till sensor, säger Juan Alonso.

Det kan bli många stafetthopp mellan noder innan meddelandet når uppsamlingsplatsen, som kan vara en dator med större kapacitet och god tillgång till ström, kanske en vanlig persondator med radiomottagare.

Billig teknik

Intresset för sensornät vaknade hos det amerikanska militära forskningsinstitutet Darpa i slutet av 1990-talet. Där hade forskarna länge spekulerat om att tillverka ”smart damm” – mängder av ”datorkorn” som sprids från flygplan i terrängen för att rapportera om fiendesoldater.

Vid SICS började man intressera sig för tekniken för två år sedan, men naturligtvis i fredligare syfte. Förklaringen till intresset är enkel: trådlösa sensornät är billiga och lätta att placera ut. De kan samla in data från svåråtkomliga platser och fästas på djur och människor. Ett omtalat försök är en pågående fågelstudie på Great Duck Island utanför USA:s östkust. Där använder biologerna ett trådlöst sensornät för att undersöka den klykstjärtade stormsvalan i dess miljö. Stormsvalorna tillbringar större delen av sin tid i underjordiska hålor, och forskarna samlar in data om temperatur, lufttryck, luftfuktighet och liknande. Termogivare anger när fåglarna befinner sig i sina hålor. Ett par hundra sensorer vidarebefordrar data i en trådlös kedja till en persondator, som står i ett fyrtorn på ön.

Flera svårigheter

Ju mindre sensorerna blir, desto bättre fungerar de. De brukar vara stora som tändsticksaskar, men de minsta är små som riskorn. Men tekniken stöter på flera svårigheter. Att tolka informationen som samlas in och att förse enheterna med elektricitet är ett par av dem.

– Det blir lätt oerhört stora informationsmängder. Man måste begränsa data för att över huvud taget kunna tolka dem, samtidigt som man måste gardera sig mot att information tappas bort på vägen, säger Juan Alonso.

När det gäller strömförsörjningen provar man olika sätt att spara energi. Fler men svagare noder är ett.

– Tio sändare med en räckvidd på tio meter har, under idealiska omständigheter, ungefär samma räckvidd som en sändare med en räckvidd på hundra meter. Men ändå drar alla tio tillsammans bara tiondelen så mycket ström.

Ett problem som SICS brottas med är att hitta effektiva sätt att koppla sensornoderna till Internet. Ytterligare ett är att se till att noderna har alla nätverksegenskaper de behöver.

– Detta är stora utmaningar eftersom allt måste göras energisnålt.

Det krävs också att sensorerna fungerar som ett spontant nät, det vill säga att de känner av när en annan sensor kommer inom räckhåll och automatiskt börjar kommunicera med den.

– Det finns mycket annat att lösa också. Sensornäten måste göras fuktsäkra, och vi vill ha ett system för att ta hand om dem när de inte behövs längre. Kanske ska de rent av förmultna, spekulerar Juan Alonso.

Ger besked om skador

Användningsområdena för näten är många. Forskare vid University of California, Berkeley, USA, har till exempel visat hur trådlösa sensorer kan användas för kontroll av jordbävningsskadade hus. Man lät placera ut hundra trådlösa sensorer i en testbyggnad på en jordbävningssimulator. Sensorerna gav direkt besked om hur mycket som olika delar av byggnaden rörde sig. Det innebär att skadorna kunde bedömas direkt.

Vid Umeå marina forskningscentrum planerar man att ta sensornät till hjälp för att kartlägga vad som styr vattenströmmar och växtplanktonutbredning i västerbottniska Örefjärden. Från ett tiotal mätbojar vid Öre älvs utlopp i Norra Kvarken ska sensorer hängas ner i vattnet för att samla mätvärden från olika djup. Informationen går sedan via kabel upp till en radiosändare i bojen.

En annan idé gäller ett sensornät för att övervaka värme och ventilation i fastigheter. Varje nytt ventilationssystem har en inkörningsperiod på ungefär ett år. Under den tiden måste man mäta och justera. Trådlösa sensornät är idealiska för den uppgiften. De är lätta att placera ut, lätta att flytta och ta bort – och man slipper dra kilometervis med sladdar.

På tåg och bilar kan sensornät varna när det är dags att byta hjullager. I jordbruket kan odlarna få aktuell information om bevattnings- och näringsbehov för varje gröda.