Je leest:

Smart Dust en de onzichtbare computer

Smart Dust en de onzichtbare computer

De volgende generatie in computertechnologie

Het begon allemaal met een grote, logge computer. Tegenwoordig staat in elk huis een handzaam apparaat en kun je ook met een laptop op stap. Nu is de derde generatie in aantocht: nog kleiner en vooral minder zichtbaar.

Boven de oranje zee van vuur zie je een paar zwarte stippen. Ze cirkelen boven de bomen en werpen af en toe iets naar beneden. Wat er vliegt? Minihelikoptertjes, die het brandende bos in de gaten houden en beoordelen of er metingen aan de grond nodig zijn. Als dat zo is, gooien ze Smart Dust naar beneden.

Dit is de visie van Prof. dr. ing. Paul Havinga, die de Smart Dust ter sprake bracht tijdens zijn intreerede vorige week donderdag (10 juni 2010). Hij is aangesteld als nieuwe hoogleraar Pervasive Systems aan de Universiteit Twente. ‘Pervasive’ wil zeggen ‘overal aanwezig’, ingebed in de omgeving. Het is dan ook niet verwonderlijk dat hij in zijn oratie sprak over een toekomst waarin de computer zoals we deze nu kennen steeds meer naar de achtergrond zal verdwijnen.

Een letterlijk voorbeeld hiervan is Smart Dust. Deze term werd geïntroduceerd in 1999, door drie onderzoekers van Berkeley (Universiteit van California). Zij zagen een toekomst waarin kleine elektronische apparaatjes met een processor, een sensor, en een mogelijkheid tot communiceren, zo klein zouden zijn dat ze als stof verspreid zouden kunnen worden, en de omgeving kunnen monitoren: ‘slim stof’, oftewel Smart Dust.

Eén voor allen, allen voor één

Smart Dust is een vorm van een draadloos sensornetwerk (wireless sensor network, WSN). Dat is meer dan alleen een netwerk van sensoren die draadloos met elkaar verbonden zijn. Elke sensor bevat namelijk een processor, een computerchip, en is hierdoor in staat om ook over zijn waarnemingen na te denken. Zo kan hij bijvoorbeeld vaststellen dat een bepaalde meting niet klopt en hierop besluiten de data niet door te sturen. De sensoren in een WSN worden daarom ook wel sensor nodes (sensor knooppunt) genoemd.

Large
Het netwerk van sensor nodes kan een groot oppervlakte ‘afdekken’. Ze doen metingen en communiceren met elkaar via draadloze verbindingen. Vaak zijn de sensoren gegroepeerd en rapporteren ze aan hun clusterhoofd. Die zendt de informatie vervolgens weer door naar het basisstation, waar de informatie verwerkt wordt.
Kulkarni et al.

Veelzijdigheid van WSN’s

Draadloze sensornetwerken kun je op allerlei manieren gebruiken, maar er zijn drie algemene toepassingen:

1. Periodieke rapportage Elke sensor neemt om de zoveel tijd een monster van zijn omgeving (meet de temperatuur, checkt de luchtvochtigheid etc.), slaat de gegevens op en stuurt ze door naar het basisstation.

2. Incident detectie De sensoren observeren niet alleen, ze evalueren direct wat ze hebben waargenomen. Ze sturen alleen data door wanneer blijkt dat de informatie bruikbaar is. Dat is het geval als er iets bijzonders aan de hand is, vandaar ook de naam.

3. Database-achtige opslag De omgekeerde wereld. De sensoren sturen niets uit zichzelf op, maar het basisstation komt de informatie halen. Ze zoeken naar specifieke gegevens die van belang kunnen zijn.

Het collectieve gedrag van sensoren is essentieel, en wordt gebruikt om het systeem betrouwbaar, efficiënt, en robuust te maken. Samen weten ze meer dan één. Neem een branddetector. Je kunt een hele goede branddetector bouwen die allerlei variabelen kan meten, met speciale sensoren. Maar je kunt ook een set verschillende sensoren combineren. De één meet bijvoorbeeld de vochtigheid, een ander de temperatuur, mogelijk zijn er enkele sensoren die bepaalde gassen kunnen detecteren, en je hebt sensoren die gevoelig zijn voor licht. Al die data breng je samen (dat heet sensorfusie) en analyseer je om tot één conclusie te komen.

Netwerken in een koraalrif

Het klinkt allemaal heel mooi, maar werkt het ook echt? Nou, een beetje. Hoewel nog niet zo klein als stof, zijn er in de loop der jaren vele goede resultaten geboekt met systemen gebaseerd op het Smart Dust concept.

Eén van de eerste populaire toepassingen is op het terrein van natuur en milieu. Biologen en ecologen moeten hun onderzoek vaak baseren op vele en vaak langdurige waarnemingen. Een sensornetwerk zou hierbij kunnen helpen.

Een goed voorbeeld is een onderzoek naar het milieu van het Great Barrier Reef, een groot en erg soortenrijk koraalrif in Australië, waar prof. dr. ing. Havinga ook aan heeft meegewerkt. Aangezien het testgedeelte 7 bij 3 kilometer meette, was het een mooie uitdaging voor een WSN.

Large
Een draadloos sensornetwerk kan goed van pas komen in de natuur, bijvoorbeeld in het Great Barrier Reef.
Flickr: Electric Images

Correlatie helpt besparen

Nadeel van een multi-hop netwerk is dat de clusterhoofden snel overbelast kunnen raken doordat ze meer data moeten verzenden. Het onderzoeksteam heeft daarom een extra techniek ingebouwd, die gebaseerd is op correlatie. Het kan namelijk zo zijn dat de ene buur-node altijd 1.7 Cº hoger is en de andere altijd 2.3 Cº lager. In zo’n geval zendt het clusterhoofd eerst de correlatie-informatie en daarna zijn eigen waarnemingen. Dat bespaart weer een pakketje!

Een groot sensornetwerk heeft echter wel een aantal struikelpunten, waaronder de communicatie. Elke node heeft namelijk maar een bereik van zo’n 50 tot 100 meter dus hoe komen de gegevens uiteindelijk bij de onderzoekers terecht? Bij het Great Barrier Reef hebben de onderzoekers gekozen voor een multi-hop netwerk, een veelgebruikte oplossing. In plaats van de data direct naar het basisstation te sturen, worden de gegevens eerst verzameld in tussenliggende nodes.

Natuurlijk zijn er ook nadelen aan deze methode, maar daar heeft het onderzoeksteam allerlei oplossingen voor bedacht (zie kader). Inmiddels ligt er al een testnetwerk in het water en worden er door zo’n 100 nodes metingen uitgevoerd.

Smart Dust to the rescue!

Sensornetwerken kunnen ook ingezet worden bij rampen. Het ontbreken van de juiste informatie op de juiste plaats belemmert vaak de effectieve bestrijding van de gevolgen van de ramp en coördinatie tussen de vele hulpverleners. Een draadloos sensornetwerk kan ook hier heel nuttig zijn.

Het Europese project AWARE heeft dit al laten zien in het kader van brandbestrijding. Kleine helikopters verkenden geheel zelfstandig de omgeving van de brand. Ze ‘voelden elkaar aan’: door slimme algoritmes konden ze hun routes op elkaar afstemmen zodat ze samen snel en effectief het hele gebied onderzochten.

De helikopters waren ook in staat om brandhaarden te herkennen. Ze hadden bijvoorbeeld een camera aan boord en konden extra sensoren neerlaten voor metingen aan de grond. Duidde de informatie op een brand, dan waarschuwden de helikoptertjes zelf een brandweerwagen die de waterstraal automatisch richtte op de doorgegeven locatie.

Medium
De helikopters hadden veel elektronica aan boord en zagen er wat anders uit dan we gewend zijn. Doordat ze ook nog eens heel klein zijn, kun je ze maar slecht zien vanaf een afstand. Vandaar de gekleurde bollen aan de zijkanten.

Het netwerk van helikopters en grondsensoren kan nog verder uitgebreid worden. De kleding van de brandweermannen kan namelijk ook een body area netwerk bevatten, dat onderdeel kan worden van het grote netwerk zodra ze de brand gaan bestrijden. Hiermee kan de veiligheid van de brandweermensen beter in de gaten worden gehouden.

Het is duidelijk dat de gedistribueerde aanpak heel nuttig kan zijn en de behaalde resultaten beloven veel voor de toekomst. De genoemde toepassingen zijn slechts voorbeelden van de vele mogelijkheden. Prof. dr. ing. Havinga en zijn onderzoeksgroep zullen zich daarom vooral richten op generieke oplossingen. Door aan verschillende toepassingen een bijdrage te leveren, kunnen ze technieken ontwikkelen die ingezet kunnen worden bij problemen binnen een breed scala van toepassingen.

Bronnen

  • Kulkarni, R. V., A. Förster, and G. K. Venayagamoorthy, “Computational intelligence in wireless sensor networks: A survey”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, to appear in volume 13, issue 1, 2011
  • Chatterjea, Supriyo and Kininmonth, Stuart and Havinga, Paul, “Sensor networks : Paul Havinga explains how wireless sensor networks are bringing the Great Barrier Reef online, providing marine environmental data”, GeoConnexion, 5 (9). pp. 20-22. 2006

Zie ook:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/meetstation/sensornetwerk/waarschuwingssysteem/zwerm/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 juni 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE