Подготовил студент А9-11 Брежнев В.П. Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.
Москва 2013
Оглавление
Введение Глоссарий История умной пыли Строение «умной пыли» Возможные источники энергии Заключение Список литературы
Введение
Данная работа посвящена исследованиям в области умных интеллектуальных систем. В ней освещены новейшие достижения в области «умной пыли», а так же некоторые исследования в области новых энергетических решений для данного устройства.
Глоссарий
Умная пыль – сеть из тысяч малых беспроводных «датчиков-пылинок», которые могут взаимодействовать между собой и получать данные о состоянии внешней среды (например температуре, свете, давлении).
Мот - базовый элемент «умной пыли». Каждый мот имеет собственные сенсоры, вычислительный узел, коммуникацию и питание.
Суперконденсатор - электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
История умной пыли
Понятие умной пыли (англ. smartdust) было введено Kristofer S. J. Pister (университет Калифорнии) в 2001 году, хотя ранее те же самые идеи были предложены в научной фантастике (повесть Станислава Лема «Непобедимый», 1964 год). Выпущенный в 2005 году обзор обсуждает различные методы, которые могут свести размеры мотов умной пыли в сетях датчиков от более миллиметра к микрометрам.
«Умная пыль» будут представлять собой компьютерные микрочипы, покрытые пластиковой оболочкой, которая сможет менять свою форму при подаче электрического импульса и таким образом двигаться в направлении, определенном оператором.
Первый тестовый комплект «умной пыли» под названием SmartMesh состоит из 12 миниатюрных устройств, называемых «пылинками». Цена всего комплекта, включающего сами устройства и ПО, составляет $4950 тыс. Устройства связаны беспроводными линиями передачи и могут передавать данные с сенсоров, контролирующих температуру, скорость ветра, влажность либо иные параметры. Фактически они представляют собой беспроводные роутеры с батарейным питанием. С их помощью можно создавать, например, системы управления производственными процессами либо охранные системы. Скорость обмена данными у «пылинок» относительно низка, что позволяет обеспечить низкое энергопотребление и питание от автономных источников. Это, в свою очередь, позволяет существенно снизить стоимость эксплуатации систем на их основе, поскольку отпадает необходимость в проводке сетей электропитания, а также обеспечивает беспрецедентную гибкость системы.
Строение умной пыли
Группируясь вместе, моты автоматически создают очень гибкие сети с малым потреблением питания. Мот снимает показания и передает их на управляющий модуль, которым может быть такой же, но более крупный контроллер либо персональный компьютер. Там информация анализируется и передается дальше: либо к оператору, который примет решения о дальнейших действиях, либо к программе, которая вместо человека будет принимать решение.
Одно из главных преимуществ данных сетей в том, что один сенсор может связаться с другим сенсором или управляющим модулем как напрямую, так и через другие моты. Выход из строя одного или нескольких мотов не в состоянии критически повлиять на работу всей сети. Данные сети могут применяться для управления климатом, устройств для развлечения, устройств охраны, мониторинга технического состояния зданий и коммуникаций, в целях наблюдения и разведки и т.д.
Возможные источники энергии
На данный момент источники в реальности воплощены два варианта источников питания 1) Литиевые батареи 2) Солнечные батареи 3) Альтернативные источники (энергия окружающей среды)
1. Литиевые батареи Самый простой с технологической точки зрения источник энергии, кроме того такой источник энергии хорошо интегрируется в технологию изготовления кремниевых микросхем. Для лучшего удовлетворения мгновенных запросов энергии также используется суперконденсатор, Величина энергии на единицу объёма которую может сохранять в себе суперконденсатор примерно в 100 раз меньше чем величана энергии на еденицу объёма в литиевой батарее, но суперконденсатор может доставлять энергию за считанные секунды в отличие от литиевой батареи.
В дальнейшем возможно использование толстоплёночных литиевых батарей, отличающихся от обычных литиевых батарей тем, что они сделаны из тонких материалов толщиной всего несколько нанометров или микрометров, что позволяет уменьшить размеры самой батареи до нескольких миллиметров.
2. Фотоэлементы
Солнечная энергия наиболее доступный источник энергии. Фотоэлементы могут вырабатывать энергию не только на открытом солнце, но и в освещённом помещении. КПД лучших образцов фотоэлементов примерно 30%. Фотоэлементы не всегда могут обеспечить прямое питание систем мота, но могут использоваться для зарядки батарей или суперконденсаторов, таким образом увеличивая автономное время работы.
3. Альтернативные источники
Альтернативными источниками могут служить вибрации окружающей среды, окружающее тепло и электромагнитные волны, излучаемые окружающими бытовыми приборами. Также источник электромагнитных волн может быть специально установлен в определённом месте для питания умной пыли. На данный момент существует разработка Массачусетского технологического института в виде автономного чипа использующего в качестве источников питания солнечную энергию, вибрации окружающей среды и тепло окружающей среды. Управляет системой получения электроэнергии сложная цепь контрольных датчиков. Разработчики системы подчеркивают, что каждый источник энергии имеет собственный КПД. Так, на термальных разницах можно генерировать от 0,02 до 0,15 вольт, на солнечном свете от 0,2 до 0,7 вольт, а на вибрации - до 5 вольт.
Заключение
В данной работе рассматривались варианты источников питания для умной пыли. В работе было выяснено на мотах используются различные источники энергии, имеющие свои плюсы и минусы а именно: - Литиевые батареи. Имеют относительно большой запас энергии но в тоже время имеют большие размеры -Фотоэлементы. Имеют небольшие размеры, но не могут использоваться на прямую как источник энергии в относительно больших мотах, также напряжение зависит от окружающих условий. -Альтернативные источники энергии. Колебания и тепло окружающей среды, электромагнитные волны излучаемые бытовыми приборами – являются гипотетическими источниками энергии и вероятнее всего будут использоваться на мотах относительно малых размеров, на данный момент воспроизведены в реальных условиях (не создано образцов умной пыли использующей такие источники энергии)
Список литературы
1) VALinfo.ru - http://valinfo.ru (дата обращения: 19.10.2013) 2) Новый чип может получать электричество за счет тепла, света или вибрации - http://cybersecurity.ru/it/155003.html (дата обращения: 19.10.2013) 3) Олимпиада НИЯУ МИФИ "Наноэлектроника" - http://nano-e.ucoz.ru/ (дата обращения: 20.10.2013) 4) Ultra-Low Energy Circuits for Distributed Sensor Networks (Smart Dust) - http://www.eecs.berkeley.edu/IPRO/Summary/Old.summaries/03abstracts/warneke.1.html (дата обращения: 18.11.2013). 5) Умная пыль. Википедия, свободная энциклопедия. — http://www.ru.wikipedia.org/wiki/Умная_пыль (дата обращения: 10.11.2013). 6) Smart Dust - http://www.computerworld.com/s/article/79572/Smart_Dust?taxonomyId=15&pageNumber=2 (дата обращения: 23.11.2013) 7) Kristofer Pister - http://www.eecs.berkeley.edu/Faculty/Homepages/pister.html (дата обращения: 29.11.2013)
