Sans pile du capteur pour l’exploration sous-marine
Pour enquêter sur la largement inexploré océans couvrant la majeure partie de notre planète, les chercheurs visent à construire un submergé réseau interconnecté de capteurs qui envoient des données à la surface d’un sous-marin “internet des objets”. Mais comment fournir une énergie constante à un grand nombre de capteurs conçus pour rester pour de longues durées dans l’océan profond?
MIT les chercheurs ont une réponse: sans pile sous l’eau système de communication qui utilise la puissance proche de zéro pour transmettre des données de capteur. Le système pourrait être utilisé pour contrôler la température de la mer pour étudier les changements climatiques et de suivre la vie marine sur de longues périodes, et même de l’échantillon des eaux sur des planètes lointaines. Ils sont la présentation du système à l’SIGCOMM la conférence de cette semaine, dans un document qui a remporté le “best paper award”.
Le système permet l’utilisation de deux phénomènes clés. L’un, appelé “l’effet piézoélectrique,” se produit quand les vibrations dans certains matériaux de générer une charge électrique. L’autre est “rétrodiffusion”, une technique de communication couramment utilisés pour les étiquettes RFID, qui transmet les données par reflétant modulée sans fil de signaux sur une balise et un retour à un lecteur.
Dans le chercheurs de ce système, un émetteur envoie des ondes acoustiques dans l’eau vers un capteur piézoélectrique qui a stocké des données. Lorsque la vague frappe le capteur, la matière vibre et magasins de la résultante de la charge électrique. Ensuite, le capteur utilise l’énergie stockée afin de refléter une vague de retour à un récepteur ou elle ne reflète pas du tout. L’alternance entre la réflexion dans cette voie correspond aux bits de données transmises: Pour une onde réfléchie, le récepteur décode un 1; pas d’onde réfléchie, le récepteur décode un 0.
“Une fois que vous avez un moyen de transmettre des 1s et 0s, vous pouvez envoyer toute information,” dit le co-auteur Fadel Adib, un assistant professeur au MIT Media Lab et le Département de Génie Électrique et d’Informatique et directeur fondateur du Signal de la Cinétique de Groupe de Recherche. “Fondamentalement, nous pouvons communiquer avec les sous-marins capteurs basés uniquement sur le son entrant signaux dont l’énergie, nous sommes à la récolte.”
Les chercheurs ont démontré leur Piézo-la Rétrodiffusion Acoustique du Système dans un MIT de la piscine, de l’utiliser pour récupérer de l’eau de la température et de mesures de pression. Le système a été en mesure de transmettre 3 kilobits par seconde de données précises à partir de deux capteurs simultanément à une distance de 10 mètres entre le capteur et le récepteur.
Les Applications vont au-delà de notre propre planète. Le système, Adib dit, pourrait être utilisé pour recueillir des données dans la récente découverte d’un souterrain de l’océan sur la principale lune de Saturne, Titan. En juin, la NASA a annoncé la Libellule de la mission d’envoyer un rover en 2026 pour explorer la lune, l’échantillonnage de l’eau des réservoirs et d’autres sites.
“Comment pouvez-vous mettre un capteur sous l’eau sur Titan qui dure pendant de longues périodes de temps dans un endroit difficile d’obtenir de l’énergie?”, dit-Adib, qui a co-écrit le papier avec Media Lab chercheur JunSu Jang. “Les capteurs qui communiquent sans pile ouvrir de nouvelles possibilités pour la détection dans des environnements extrêmes.”
La prévention de la déformation
L’Inspiration pour le système touché au moment de l’Adib a été à regarder la “Planète Bleue”, une nature, une série de documentaires pour explorer les différents aspects de la vie de la mer. Les océans couvrent environ 72 pour cent de la surface de la Terre. “Il m’est apparu que le peu que nous savons de l’océan et de la façon dont les animaux évoluer et à procréer”, dit-il. L’Internet des objets (Ido) dispositifs de l’aide que de la recherche“, mais sous l’eau, vous ne pouvez pas utiliser le Wi-Fi ou Bluetooth signaux … et vous ne voulez pas mettre les piles tous les dessus de l’océan, parce que cela pose des problèmes de pollution.”
Qui a conduit Adib de matériaux piézo-électriques, qui ont été autour et utilisés dans des microphones et autres appareils pendant environ 150 ans. Ils produisent une petite tension en réponse à des vibrations. Mais cet effet est également réversible: Application de tension provoque le matériau à se déformer. Si placé sous l’eau, cet effet produit une onde de pression qui se déplace à travers l’eau. Ils sont souvent utilisés pour détecter des navires immergés, les poissons et d’autres objets sous-marins.
“Cette réversibilité est ce qui nous permet de développer très puissant sous-marin de rétrodiffusion technologie de la communication,” Adib dit.
La communication s’appuie sur la prévention de la résonateur piézo-électrique à partir naturellement déformant, en réponse à la souche. Au cœur du système est immergée, nœud, une carte de circuit imprimé, qui abrite un résonateur piézo-électrique, une énergie-la récolte de l’unité, et un microcontrôleur. Tout type de capteur peut être intégré dans le nœud de la programmation du microcontrôleur. Une acoustique projecteur (émetteur) et le sous-marin à l’écoute de l’appareil, appelé un hydrophone (récepteur), sont placés à une certaine distance.
Dire que le capteur veut envoyer un bit à 0. Lorsque l’émetteur envoie ses ondes acoustiques dans le nœud, le résonateur piézo-électrique absorbe l’onde et, naturellement, se déforme, et l’énergie de l’abatteuse magasins un peu de charge à partir de la résultante des vibrations. Le destinataire ne voit pas de signal réfléchi et décode un 0.
Toutefois, lorsque le capteur veut envoyer un bit à 1, la nature des changements. Lorsque l’émetteur envoie une vague, le microcontrôleur utilise la charge stockée pour envoyer un peu de tension pour le résonateur piézo-électrique. Que la tension de réoriente le matériau de la structure d’une manière qui l’empêche de se déformer, et au lieu de cela reflète la vague. La détection d’une onde réfléchie, le récepteur décode un 1.
À Long terme profonde de la mer de détection
L’émetteur et le récepteur doivent avoir le pouvoir, mais peut être planté sur des navires ou des bouées, si les batteries sont plus faciles à remplacer, ou connecté à des prises de terre. Un émetteur et un récepteur peut recueillir des informations à partir de plusieurs capteurs couvrant une zone ou plusieurs zones.
“Quand vous effectuez le suivi d’un animal marin, par exemple, vous voulez le suivre sur une longue plage et veulent garder le capteur sur eux pour une longue période de temps. Vous ne voulez pas à vous soucier de la batterie en cours d’exécution,” Adib dit. “Ou, si vous voulez suivre les gradients de température dans l’océan, vous pouvez obtenir des informations provenant de capteurs sur un certain nombre d’endroits différents.”
Une autre application intéressante est la surveillance de la saumure de piscines, de vastes zones de la saumure qui sont assis dans les piscines, dans les bassins océaniques, et sont difficiles à suivre à long terme. Ils existent, par exemple, sur le Plateau Antarctique, où le sel se dépose lors de la formation de la glace de mer, et pourrait aider dans l’étude de la fonte de la glace et de la vie marine de l’interaction avec les piscines. “Nous avons pu voir ce qui se passe là-bas, sans avoir besoin de garder transport de capteurs quand leurs batteries mourir”, Adib dit.
Polly Huang, un professeur de génie électrique à l’Université Nationale de Taiwan, a salué le travail technique de la nouveauté et de l’impact potentiel sur les sciences de l’environnement. “C’est une bonne idée,” Huang a dit. “Il n’est pas nouvelles on utilise des cristaux piézoélectriques pour la récolte de l’énergie … (mais c’est la) premier temps de voir qu’il est utilisé en tant que radio en même temps (qui) est inconnue pour le capteur de système/réseau de la communauté de recherche. Aussi intéressant et unique, c’est la conception de matériel et de fabrication. Le circuit et la conception de l’encapsulation sont à la fois solides et intéressantes.”
Tout en notant que le système a besoin de plus de l’expérimentation, en particulier dans l’eau de mer, Huang ajoute que “ce pourrait être l’ultime solution pour les chercheurs de marine biographie, l’océanographie, ou encore la météorologie — les personnes dans le besoin à long terme, basse-homme-effort de détection sous-marin.”
Ensuite, les chercheurs ont pour objectif de démontrer que le système peut fonctionner à des distances plus lointaines et de communiquer avec d’autres capteurs simultanément. Ils sont également en espérant pour tester si le système peut transmettre le son et les images à faible résolution.
Le travail est parrainé, en partie, par le U. S Office of Naval Research.
