Bude nás sledovat inteligentní prach?

Ing. Bibiána Buková, PhD. (17. 12. 2004)

Využití inteligentního prachu je návrh futuristický, uvažuje s možností využít zařízení, označovaného jako inteligentní prach (Smart dust) v železniční přepravě. Vychází z technologie blízké budoucnosti, základem které mají být miniaturní senzory schopné sběru, zpracování a bezdrátového přenosu informací.

Hlavní myšlenkou této technologie je možnost rozptýlit v nějakém prostoru (například vevnitř železničního vozu) stovky miniaturních senzorů, které by měřily teplotu, vlhkost nebo sílu či frekvenci vibrací a tím by umožnily sledovat určité zařízení, chování lidí v nějakém prostoru nebo detailně kontrolovat dané prostředí.

Od kostky cukru k zrnku písku

Na těchto zařízeních se už mnoho let pracuje v USA. Vývojem inteligentního prachu se zabývají  Kris Pister a Randy H. Katz na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Mikroelektromechanické (MEMS – microelectromechanical senzor)  zařízení, které je základem smart dustu, dostalo název mot. První prototypy motu měly od prachu skutečně daleko, jejich rozměry byly porovnatelné s  kostkami cukru, měly objem zhruba 100 mm3. Dostali proto název makromoty. Na této úrovni byla celá technologie odzkoušena a ukázalo se, že je úplně funkční. Nyní je cílem vědců postupné zmenšování motů.

Rozměry zařízení by se měly dostat na úroveň velikosti zrníček písku, odtud byl i odvozený jeho název. Díky poslednímu vývoji v oblasti návrhu a výrobních technologií křemíkových čipů mohou mít tyto senzory tuto velikost a naproti tomu obsahovat nejen vlastní senzor, ale i výpočetní obvody, zdroj napájení a podporu komunikační technologie schopné obousměrného bezdrátového přenosu dat. Tato zrnka prachu mohou sbírat množství dat, zhotovit potřebné výpočty a odeslat potřebné informace prostřednictvím obousměrného rádiového spojení navázaného mezi jednotlivými zrnky na vzdálenost až 250 metrů.

Co dokáže inteligentní prach?

Bezdrátově komunikovat se svým okolím, bezdrátově komunikovat mezi sebou, vytvářet distribuovanou výpočetní sít.

Moty se po rozprášení na určitém území automaticky spojí do jedné velké sítě. Síť je schopná vyhodnocovat situaci na vysoké úrovni a posílat do nadřízeného informačního systému už zpracované analýzy.

Základní součásti motů

Aktuální rozměry motu jsou zhruba 4mm na 3 a v tomto skutečně malém prostoru se nachází všechny zařízení potřebná na jeho činnost.

Základní součástí motu jsou senzory. Sbírají informace o teplotě, vlhkosti, intenzitě osvětlení, vibracích a tlaku vzduchu. V budoucnosti k nim přibudou další typy. Do úvahy přichází v pokročilém stádiu výzkumu například senzor na zvuk a obraz.

Mikroprocesor slouží na zpracování informací získaných jak ze senzorů motu, tak i z komunikačního zařízení. Na uložení programu pro mikroprocesor a nasnímaných nebo přenesených dat slouží pamět SRAM.

Komunikaci s ostatními moty nebo nadřízeným zařízením zabezpečuje důmyslný komunikační aparát.

Zařízení samozřejměpotřebuje i zdroje energie a baterie, kam se energie ukládá.

Činnost inteligentního prachu

Činnost, kterou je zařízení schopné vykonávat, je určena tím, jaké senzory jsou do něho namontované a jaký je aktuální program uložený v mikrokontroléri. Celá činnost motu je přizpůsobena nutnosti šetřit energii. Mot je 99 procent času v pohotovostním režimu, po tuto dobu pracují jenom časovače, a jenom 1 procento  času skutečně vykonává svoji činnost. Časovače odpočítávají čas, který uplynul od určité činnosti motu. Když časovač dosáhne nulovou hodnotu, spustí příslušnou část motu, kterou může být komunikační kanál, senzor, analogový – digitální převodník nebo mikroprocesor. Dané zařízení po skončení své činnosti nastaví znovu časovač na určenou hodnotu, uspí se. Takto se střídavě, podle toho, který časovač se vynuluje, zapínají a vypínají jednotlivé součásti motu. V čase nečinnosti se zařízení snaží získávat energii.

Senzory snímají příslušné hodnoty fyzikálních veličin z okolí a posouvají je do analogového – digitálního převodníku. Ten je převede do digitální podoby a uloží do paměti SRAM. Mikrokontrolor je následně vyhodnotí a určí, zda se mají smazat, archivovat nebo odvysílat zprávu. Mikrokontrolor také může přijímat přes komunikační kanál nový program, a tak je možné zařízení za chodu přeprogramovat na nový typ úloh.

Baterie chodu je schopná uchovávat energii s hustotou 1 J na 1 mm3. Vzhledem na malé rozměry motu je jeho celková kapacita velmi malá. Vědci proto pracují na minimalizaci spotřeby energie jednotlivými součástmi motu. Zdrojem energie je mimo baterie nabité z výroby také sluneční kolektor, který je schopný dodávat energii při přímém slunečním osvětlení, ale i ve standardní místnosti. Mot může získávat energii také mnohem netradičně – ze změny tlaku vzduchu nebo z otřesů. Díky těmto opatřením by měl mot dosahovat životnost až několik roků a aktivně po tuto dobu pracovat.

Jaké jsou komunikační prostředky

Velmi zajímavé je řešený komunikační systém. Ten by mohl používat na přenos dat světelný paprsek, protože je mnohem výhodnější než rádiová komunikace. Každý mot je vybavený emitorem světla, který je díky mikromechanicky ovládaném zrcadlu možné vysílat libovolným směrem. Další komunikační zařízení je pasivní,  není však určené jen na příjem informací, ale i na jejich vysílání. Využívá princip známý už od prvního využití zrcadel. Nadřízený systém vysílá směrem k motu  paprsek a mot ho pomocí soustavy zrcadel odráží zpět, přitom do něho moduluje informaci. Systém zrcadel se skládá z třech čtvercových zrcadel, umístěných navzájem do pravých úhlů, takže je můžeme přirovnat například k rohu místnosti. Díky tomuto uspořádání světelný paprsek, který vletí do tohoto prostoru, je odražen přesně tím stejným směrem, odkud přiletěl. Minimálními pohyby jednoho ze zrcadel je potom možné modulovat do tohoto paprsku informaci.Takový systém komunikace je velmi efektivní, přitom při použití makromotů byly přenosy až na vzdálenost 20 km.

Kde se dá inteligentní prach využít?

Pro inteligentní prach existuje v současnosti množství potencionálních komerčních aplikací,  tedy by mohl najít využití v mnohých oblastech našeho života. Mimo civilní sféry se počítá také s využitím ve vojenské sféře a ve špionáži. V oblasti dopravy, přepravy, logistiky a zasílatelství by se mohlo jednat i o tyto možnosti využití:

– v monitorování povětrnostních změn a v monitorování počasí,

– při zapracování senzorů do balicí techniky výrobků – využití například při automatických inventurách ve skladech,

– sledování pohybu dopravního prostředku a zboží,

– sledování parametrů dopravních prostředků ve všech druzích dopravy,

– monitorování hustoty dopravy na frekventovaných dopravních komunikacích,

– na odhalování chyb při průmyslné výrobě prostřednictvím zachytávání vibrací, které se nacházejí mimo stanovené pásma,

– při sledování pohybu návštěvníků ve firmě,

– jako součást technologie tzv. inteligentních budou – jednoduchým přimícháním do omítky budov – pomocí inteligentního prachu bude možné sbírat informace o stavu budovy a bude je možné i řídit. (využití při inteligentních skladech)

– při monitorování spotřeby energie ve firmách, to pomůže zlepšit využívání energetických zdrojů
– na monitorování stavu prostředí – například inteligentní prach může být rozprášen v okolí chemických továren a jaderných elektráren a jeho hlavní úlohou by bylo okamžité informování o možné havárii.

Inteligentní prach má perspektivní využití také při ochraně proti krádeži a ztrátě, a při zajištění bezpečnosti, či už při skladování nebo samostatné přepravě. Je velmi těžké ho odhalit, možné ho rozprášit na obrovském území a sledovat tak například pohyb osob nebo, naopak, soustředit se na malou plochu kanceláře nebo skladu. Není ho třeba instalovat, stačí ho rozprášit.

Jak využít inteligentní prach v železniční nákladní přepravě

Rozptýlením inteligentního prachu (podmínkou je rozptýlení v uzavřeném prostoru – v nákladním železničním vozu,v kontejneru, ve výměnné nadstavbě.
S využitím inteligentního prachu se uvažuje hlavně v zásilkách, u kterých se vyžaduje zvýšená pozornost. Jde hlavně o přepravy za zvláštních podmínek:

*přeprava lehce zkazitelného zboží,
*přeprava živých zvířat,
*přeprava nebezpečného zboží,
*přeprava cenných zásilek.

Jak využít inteligentní prach při přepravě lehko zkazitelného zboží

Za lehce zkazitelné zboží se považuje zboží, které se rychle kazí a které během přepravy po železnici vyžaduje zvláštní opatření, aby bylo chráněno před vlivem tepla nebo zimy. Tedy lehce zkazitelné zboží vyžaduje během přepravy chlazení, větrání, vytápění nebo jinou ochranu před vlivem tepla nebo zimy.

Inteligentní prach má po rozprášení například v železničním vozu následující poslání:

*sledovat vlhkost, teplotu, vibraci, větrání a prašnost
*dálkové regulování teploty a vlhkosti podle potřeby
*ochrana zásilek proti odcizení
*signalizaci poruchy chladícího, mrazícího nebo vyhřívacího zařízení,
*signalizaci nevyhovujícího prostředí pro určenou přepravu

Jak využít inteligentní prach při přepravě nebezpečného zboží

*Sledování změn prostředí uvnitř železničního vozu

*signalizování náhlých změn prostředí, které by mohly nepříznivě působit na přepravované nebezpečné zboží

*sledování fyzikálních vlastností (vlhkosti, teploty, vibrací), které by mohly nepříznivě působit na přepravované nebezpečné zboží

*signalizování havarijního stavu,

*signalizování narušení železničního vozu

Jak využít inteligentní prach při přepravě cenných zásilek

Cenná zásilka je zásilka, která má vysokou finanční hodnotu, popř. má jinou hodnotu (společenskou, osobní, uměleckou, historickou, případně jinou). Jde tu o využití inteligentního prachu spíše z bezpečnostních důvodů, ale nevylučuje se také jiné sledování, jaké si to vlastnosti zásilky vyžadují.

Využití:
*monitorování prostředí ve vnitřku železničního vozu, kontejneru nebo výměnné nadstavby,

*signalizace při mimořádných situacích (poškození dopravního nebo přepravního prostředku),

*signalizace náhlé změny prostředí

*signalizace při pokusu o odcizení zásilky,

*pokud se jedná o zásilku přepravovanou za zvláštních podmínek, tak monitorování specifických vlastností

Inteligentní prach

zdroj AKADEMON (18. 07. 2003)

Miniaturní detektory vybavené komunikačním čipem a anténou, které mohou vytvářet inteligentní sítě monitorující plošně pohyb vozidel, zatížení budov, chemické zamoření nebo meteorologické změny, jsou hitem poslední sezony.

Dosud nejmenší senzor, který má blízko ke skutečné tržní realizaci, byl vyvinut společností Dust, založenou výzkumníky z University of California v Berkeley. Jejich senzor se anglicky nazývá “speck“, což by se mohlo do češtiny přeložit jako “snítko“. O jeho velikost (či malosti) si čtenář může udělat sám představu podle obrázku.

Převzato:  http://21stoleti.cz/