Smart Dust (Розумний пил)
Загальне поняття про розумний пил. Конструкція: передавач інформації, прототипи. Cots dust, michigan micro motes. Сфери застосування: будівлі та мости, попередження стихійних лих та прогнозування погоди. Мікророботи, мікросенсори в організмі людини.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 12.11.2013 |
| Размер файла | 5,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
[Введите текст]
Міністерство освіти і науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
Реферат
на тему: “Smart Dust (Розумний пил)”
Львів 2013
Що таке Smart Dust
Smart dust - термін, використовуваний для опису мережі з малих бездротових мікроелектромеханічних систем (МЕМС) і додаткових пристроїв, які можуть взаємодіяти між собою і отримувати дані про стан зовнішнього середовища (наприклад температуру, освітлення, тиск).
Передбачається, що базові елементи « розумного пилу » - моти ( англ. mote - порошинка), в підсумку будуть розміром c частку піску або навіть пилу. Кожен мот має власні сенсори, обчислювальний вузол, комунікацію та живлення. Групуючись разом, моти автоматично створюють дуже гнучкі мережі з малим енергоспоживанням. Області їх застосування можуть варіюватися від систем управління кліматом до пристроїв для розваги, взаємодіючих з іншими інформаційними пристроями.
Поняття розумного пилу ( англ. smartdust ) було введено Kristofer S. J. Pister (університет Каліфорнії) в 2001 році, хоча раніше ті ж самі ідеї були запропоновані в науковій фантастиці (повість Станіслава Лема «Непереможний », 1964 рік). Випущений в 2005 році огляд обговорює різні методи, які можуть звести розміри мотів розумного пилу в мережах датчиків від міліметра до мікрометра.
Спектр використання таких пристроїв є надзвичайно великим, починаючи від прогнозування погоди, закінчуючи військовими застосуваннями. Наведемо кілька можливих сфер використання:
Контроль якості будівель та мостів. Мініатюрних датчиків можуть бути вмонтовані в несучі конструкції для відстеження змін та попередження аварій. За допомогою цих датчиків можна в прямому сенсі брати інформацію зі стелі і моніторити стан конструкції.
Попередження лісових пожеж та інших стихійних лих. Датчики, розпилені по території, здатні зафіксовувати зміни температури, тиску, вологості, тощо. За допомогою цієї інформації можна завчасно приймати міри по локалізації лиха та зменшенню збитків.
Військові застосування. Розпилені з літака пилинки можуть використовуватись в якості шпигунів для збору важливої інформації про противника, або навіть, несучи на собі мікро-заряди вибухівки, виводити з ладу апаратуру.
Детальніше способи та сфери застосування концепції «розумного пилу» розглядаються в розділі 4.
Конструкція
розумний пил мікроробот мікросенсор
Конструкція мікромініатюрних датчиків системи «Розумний пил» включає: систему електроживлення, набір датчиків, інтегральну схему та пристрої зовнішнього зв'язку. По обчислювальним можливостям кожен датчик, як вважають його розробники, в перспективі буде відповідати процесору «Intel 8086».
Система електроживлення включає товстоплівкову батарею, сонячний елемент та інтегруючий конденсатор для періоду темряви. Залежно від своєї мети, моти можуть містити різні датчики, для збору різноманітної інформації, в тому числі датчики світла, температури, вібрації, магнітного поля, вітру тощо. Інтегральна схема датчика забезпечує обробку сигналів, зв'язок, управління, зберігання даних і управління енергоспоживанням. Пристрої зовнішнього зв'язку представлені блоками фотоприймача, лазерного передавача і кутового відбивача. До складу блоку лазерного передавача входить напівпровідниковий лазер, колліматорна лінза Френеля і дзеркало. Дзеркало розміщено на відхиляючому пристрої (на якому згодом передбачається розмістити і фотоприймач), за допомогою якого випромінювання передавача може поширюватися в будь-якому напрямку в межах уявної півсфери, що спирається на площину основи датчика. На рисунку 1 зображена концептуальна схема моту.
Рисунок 1 - Концептуальна схема моту
Передавач інформації
Інформація про положення відхиляючого пристрою при проведенні сеансів зв'язку датчика з різними зовнішніми абонентами може потім зберігається в запам'ятовуючому пристрої для відтворення цих положень при подальших сеансах зв'язку з абонентами. Зовнішнім абонентом датчика, до якого надходить зареєстрована ним інформація, служить центральна станція. Пристроями дуплексного зв'язку цієї станції є фотоприймач модульованого оптичного випромінювання, що надходить від датчика, демодулятор і дешифратор отриманого сигналу, а також лазерне джерело випромінювання.
Передача інформації від датчика на центральну станцію здійснюється в активному або пасивному режимах.
У разі активного режиму використовується лазерний блок датчика. Цим блоком генерується випромінювання, імпульсно промодульоване відповідно до сигналів первинного перетворювача. Лазерний передавач споживає відносно велику потужність, величина якої становить близько 1 мВт. Тому сеанс зв'язку в такому режимі може тривати протягом короткого проміжку часу. Передача інформації при цьому здійснюється, як вказують розробники датчика, або на відстані декількох кілометрів при низьких швидкостях потоку інформації, що передається, або на значно менші відстані, але при високих швидкостях потоку, що досягають декілька Мбіт/с.
Рисунок 2
При пасивному режимі використовується кутовий відбивач. Конструктивно він складається з трьох взаємно-перпендикулярних площин, виконаних з полікристалічного кремнію з плівковим покриттям з золота. Одна з площин відбивача пов'язана з електростатичним приводом (актюатором), який може відхиляти цю площину від її вихідного положення, що дозволяє здійснювати імпульсну модуляцію відбитого випромінювання лазера центральної станції.
Рисунок 3
Відбите лазерне випромінювання направляється кутовим відбивачем строго назад до центральної станції і одночасно модулюється згідно з сигналами первинного перетворювача. Кут падіння вихідного оптичного випромінювання на кутовий відбивач повинен збігатися з віссю симетрії, що проходить через точку сполучення площин відбивача, і витримуватися з допуском в кілька десятків градусів. З метою зниження вимог з боку пристроїв зовнішньої зв'язку до орієнтації датчика його конструкція може містити кілька кутових відбивачів різної спрямованості. Однак у цьому випадку зростають габарити датчика. Експериментально здійснена передача інформації в пасивному режимі від датчика на центральну станцію, віддалену на 150 м (при вихідний потужності лазера базової станції - 5 мВт і швидкості потоку, що передається інформації - 1 Кбіт/с). Розробники датчика відзначають, що швидкість цього потоку може бути збільшена в декілька разів при відстані між центральною станцією і датчиком в кілька сотень метрів (в умовах яскравого сонячного освітлення). Вночі при відсутності руху повітря ця відстань може бути збільшено до декількох кілометрів.
Таким же чином в пасивному та активному режимах може здійснюватися зв'язок між двома датчиками. При цьому пристрої зв'язку одного з них функціонують як аналогічний пристрій центральної станції.
Прототипи
COTS DUST.
Рисунок 4 - Пристрій «weC mote»
Пристрої COTS(commercial-off-the-shelf components) пилу мають всі основні функціональні можливості «розумного пилу», але є більшими в розмірах. Замість кубічного міліметра в розмірі, розмір цих пристроїв складає близько кубічного дюйму. COTS Пил може служити в якості платформи для запуску різних алгоритмів для тестування різних поведінок, що буде проявляти розумний пил.
Існує багато розроблених пристроїв типу COTS DUSТ різноманітного призначення. Наведений на рисунку 3.1. пристрій має назву «weC mote». Він містить вбудовану PCB антену а також датчики світла та температури. З процесором тактовою частотою 4 МГц, «weC mote» може обробляти досить великі об'єми інформації. Проте, реальна перевага weC в тому, що конфігурація устаткування підтримує віддалене перепрограмування чіпа Atmel. По суті, це дозволяє перепрограмувати мот по бездротовій лінії зв'язку.
Пристрої типу COTS Dust є дуже гнучкими для змін та модифікацій, що дозволяє заміну датчиків відповідно до призначення.
Michigan Micro Motes (M3).
У Мічиганському університеті нещодавно створили прототипи мініатюрних комп'ютерів, які отримали назву Мichigan Micro Motes, або М3. За словами одного з розробників проекту, професора Прабала Дати, основною проблемою при створенні пристроїв, розмір яких складає лише 1 кубічний міліметр, є не мініатюаризація основних елементів, таких як процесор, датчики, пристрої прийому та передачі інформації, а створення джерела живлення, що при незначних розмірах здатне підтримати довготривалу роботу комп'ютера.
Одним з шляхів подолання цієї проблеми є використання активних генераторів енергії, що можуть виробляти електроенергію від навколишнього середовища. Так наприклад, один мот може заряджатись від сонячної енергії, інший - використовуючи різницю температур, третій від залишкових електромагнітних хвиль, тощо.
На рисунку 5 зображений мот M3.
Рисунок 5 - Мот М3(Michigan Micro Motes)
Мот М3 складається з лінзи, теплової та сонячної батареї, що за допомогою сонячного світла або тепла здатні заряджати основну батарею пристрою, процесора, блоку пам'яті, радіо-елементу та основної батареї. Графічне зображення складових частин моту представлене на рисунку 6.
Рисунок 6 - Складові частини моту М3
Як видно з зображення, мот М3 складається з декільком рівнів, взаємодія між якими відбувається через інтерфейс І2С.
Сфери застосування
Будівлі та мости.
Моти «розумного пилу», обладнані акселерометром, інклінометром та датчиком тиску, можуть вбудовуватися в стіни будівель та опори мостів при їх будівництві. Створюючи мережу вони дозволять отримати повну картину стану споруди, опираючись на такі данні як кут нахилу відносно осі земного тяжіння, навантаження на конкретні точки споруди тощо. Така система моніторингу дозволить попередити пошкодження та падіння будівель та мостів. На рисунках 7 та 8 зображені схеми відповідно будівлі та моста. Вбудовані датчики зображені у вигляді червоних крапок.
Рисунок 7 - Схема будівлі з вбудованими пристроями «розумного пилу»
Рисунок 8 - Схема мосту з вбудованими пристроями «розумного пилу»
Попередження стихійних лих та прогнозування погоди.
Моти, обладнані датчиками температури, вологості, атмосферного тиску та потужності вітру можуть бути розпилені по заданій територій для контролю за погодою. Мережа таких пристроїв може завчасно попереджувати про можливе наближення стихійних лих та катастроф. Також вони, наприклад, за допомогою зафіксованих значень температури, швидкості та напряму вітру здатні попереджувати про здіймання лісових пожеж та прогнозувати напрямок руху полум'я. За таким принципом окремі мережі пристроїв здатні заздалегідь подати інформацію для евакуації районів що попадають під удар цунамі чи селевого потоку. Зібрана мотами інформація потрапляє до центрального комп'ютера через бездротові засоби зв'язку на подальшу обробку та прийняття необхідних рішень.
Військові застосування.
- Спостереження. Розпилені по територій моти здатні вести безперервне спостереження за об'єктами чи просто за територією. За допомогою датчиків, камер, мікрофонів такі шпигуни можуть непомітно збирати та відправляти до центральної станції повну інформацію про поточний стан об'єктів спостереження.
- Маркування. Прикріпившись до об'єкта, мот здатен інформувати центральну станцію про всі переміщення та дії об'єкта. Поточне місце знаходження таких маркованих людей, автомобілів, тощо, можна миттєво визначити, що значно полегшує ведення військових операцій.
- Знищення. Якщо кожен пристрій «розумного пилу» обладнати мікрозарядом вибухівки та детонатором, стає можливим дистанційне знищення невеликих об'єктів чи виведення з ладу апаратури ворога.
На відміну від спостереження, для ведення якого не обов'язкове точне розміщення кожного мота, маркування та знищення вимагає контролю руху пристрою. Такий контроль стане можливим в найблищі роки.
Майбутнє
Мікророботи.
Використовуючи принципи «розумного пилу» ми маємо можливість створювати мікророботи шляхом приєднання до мотів, скажем, лапок чи крил. Ці штучні комахи будуть здатні, як і прості моти, збирати, накопичувати та передавати інформацію про навколишнє середовище та комунікувати між собою. Крім того, вони будуть мати можливість пересуватися і взаємодіяти фізично з навколишнім середовищем. Ми можемо використовувати засоби мікрообробки для побудови мікроприводів і мікромеханізмів для конструювання ніг чи крил.
Повзаючий микроробот, який зображений на рисунку 3.2 споживає лише кілька десятків мікроват електроенергії. Двигуни цього «жучка» можуть підняти вагу, що переважає власну вагу робота більше ніж у 130 разів. Рисунок 3.3. показує літаючого мікроробота, що матиме від 10 до 25 міліметрів у розмаху крил та буде підтримувати автономний політ. Для створення крил та екзоскелету мікроробота розробники використовуватимуть пластинки нержавіючої сталі товщиною 50 мікрон. Приєднані до екзоскелету крила будуть приводитись у дію п'єзоелектричним двигуном.
Ці мікророботи будуть в загальному споживати менше 10 мВт, за умови наявності бортових сонячних батарей.
Рисунок 9 - Мікроробот типу «Жучок»
Рисунок 10 - Літаючий мікроробот
Мікросенсори в організмі людини.
Вчені стверджують, що в майбутньому крихітні комп'ютери будуть активно допомагати лікарям отримувати інформацію про стан всіх внутрішніх органів пацієнтів. Наприклад, пристрій, будучи імплантованим в око пацієнта, буде контролювати розвиток глаукоми. Кожні п'ятнадцять хвилин він буде вимірювати внутрішньоочний тиск, записувати показання в пам'ять і зберігати дані протягом тижня. Погулявши щодня півтори години, пацієнт зарядить акумулятор. Також такі пристрої можуть імплантовуватись в головний мозок, серце чи легені людини. Дані, отримані від таких сенсорів допоможуть виявляти та попереджати появу захворювань організму.
Імплантовані мікрочіпи допоможуть підвищити концентрацію чи увагу при виконанні таких складних процесів як, наприклад, процес посадки літака.
Експерименти з імплантації мікрочіпів вже проводяться. Правда, поки не лабораторних мишах.
Висновок
«Smart Dust», чи «розумний пил» - це крихітні комп'ютери майбутнього, які нічим не відрізнятимуться від своїх нинішніх прототипів. Принципи їх роботи як і з раніше базуватимуться на базі процесорів, ОЗП, ПЗП, тощо, тільки всі вони будуть в кілька разів менше. У майбутньому такі мікрокомп'ютери будуть присутні у всьому, що оточує нас. Вже існуючі зараз прототипи здатні облегшувати життя людям та попереджувати про небезпеки.
Список використаних джерел
1. Howard Chivers, John A.Clark: «Smart dust, friend or foe?--Replacing identity with con?guration trust», Department of Computer Science, University of York, Heslington, York YO10 5DD, UK.
2. Brett Warneke, Matt Last, Brian Liebowitz, Kristofer S.J. Pister: «Smart Dust:
Communicating with a CubicMillimeter Computer», University of California, Berkeley.
3. Brett Warneke, Sunil Bhave: «Smart Dust Mote Core Architecture», Berkeley Sensor and Actuator Center.
4. Інтернет-ресурс http://nano-info.ru/post/609.
5. Інтернет-ресурс http://www.humansinvent.com/#!/12017/smart-dust-computers-as-small-as-a-grain-of-sand/.
6. Seth Edward-Austin Hollar: «COTS Dust», Massachusetts Institute of Technology.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Роль магнію як найважливішого внутрішньоклітинного елементу в процесах, що відбуваються в організмі людини. Основні ознаки дефіциту магнію, його наслідки та методи попередження. Лікування дефіциту (недостачі) магнію. Продукти, які містять магній.
презентация [2,3 M], добавлен 05.09.2015Кальцій як біологічний елемент, його роль для здоров'я людини. Функції та фізіологічні перетворення кальцію в організмі. Клінічні прояви і вплив на структури вмісту кальцію в організмі, гіпокальціємічні стани: лікування і профілактика. Препарати кальцію.
курсовая работа [47,4 K], добавлен 21.09.2010Особливості окисно-відновних реакцій в організмі людини. Відмінність окисно-відновних реакцій в живій та неживій природі. Взаємозв’язок енергетичного та пластичного обміну: розкладання вуглеводів в організмі, обмін тригліцеридів, окиснення білків.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 21.09.2010Поняття мінеральних речовин та визначення їх необхідності в раціоні людини. Характеристика основних макро- та мікроелементів та їх походження, джерела в харчуванні. Результати нестачі в організмі людини, особливо дитини, даних речовин, їх поповнення.
контрольная работа [31,9 K], добавлен 08.12.2010Будова води, частини та їх взаємозв'язок, фактори, що впливають на якість і структуру. Біологічне значення води в природі та окремому організмі як розчинника, її властивості. Вміст води в організмі людини, її роль в енергетичних та хімічних процесах.
контрольная работа [28,9 K], добавлен 25.03.2010Участь марганцю в фізіологічних процесах. Наслідки нестачі марганцю в організмі. Токсична дія сполук марганцю на живі організми. Роль металотіонеїнів в детоксикації іонів марганцю в організмі прісноводних риб і молюсків, вплив низьких доз сполук марганцю.
курсовая работа [37,0 K], добавлен 21.09.2010Поняття та загальна характеристика насичених жирних кислот, їх класифікація та різновиди, головні функції в організмі людини. Значення рибосом, їх внутрішня структура та функції, типи та відмінні особливості. Водорозчинні вітаміни групи В, їх будова.
контрольная работа [639,1 K], добавлен 17.12.2014Особливості будови та функції вітамінів як екзогенних аліментарних низькомолекулярних органічних сполук різної хімічної природи, які не синтезуються в організмі людини і в невеликих кількостях необхідні для забезпечення перебігу метаболічних процесів.
статья [26,6 K], добавлен 18.08.2017Золотий перетин: поняття, математичні властивості, прояви і формування, застосування у витворах мистецтва, архітектури, технічного дизайну. Прояв золотої пропорції в явищах фізичної і біологічної природи. Канонічні пропорції людини у Леонардо да Вінчі.
реферат [1,6 M], добавлен 29.03.2013Характеристика фізіологічних груп мікроорганізмів людини, їх морфологічні ознаки, вплив на організм. Розробка профілактичних заходів. Мікрофлора у лікуванні та захисті людського організмі. Шляхи проникнення мікроорганізмів у тканини і порожнини тіла.
курсовая работа [563,2 K], добавлен 06.08.2013
