Elektronische zintuigen /1 reactie

Elektronische zintuigen

Tien jaar geleden sprak men nog van science fiction als het ging over computers met een omvang van een muntstuk. Tegenwoordig zijn die realiteit. Intel, de grootste chipbakker ter wereld, heeft succesvolle experimenten uitgevoerd met miniatuur pc’s, motes genaamd, die het verzamelen van gegevens kinderspel maakt.

Zo werden dergelijke motes bij wijze van proef aangebracht op de beroemde Golden Gate-brug in San Francisco. Het doel daarvan was om de invloed van het verkeer en de wind op de constructie van de brug te meten, evenals activiteiten in de aardkorst. De motes zijn in staat een multi-hop mesh netwerk te vormen, waarbij iedere mote zelf weer een verbindingspunt is voor een volgende. Op die manier is het mogelijk om met een traditionele Bluetooth-verbinding, die normaal slechts 10 meter reikt, een netwerk van enkele kilometers te vormen. De gegevens die de motes genereren worden verzameld door gateways, die ze vervolgens (kunnen) doorsturen naar een (web)server. Op die manier kan een gebied 24 uur per dag in de gaten worden gehouden, waarbij een grote hoeveelheid data in kaart wordt gebracht. De communicatie is overigens te beveiligen met encryptie en authentificatie.

Great Duck Island

Moes op Great Duck Island. De rode stippen zijn cameraTijdens een ander experiment werden er honderden motes op Great Duck Island geplaatst, een onbewoond eiland voor de kust van Maine (VS), om de populatie van zeevogels te bestuderen. Naast sensoren die de temperatuur, het licht en de luchtvochtigheid maten, werden de motes ook uitgerust met camera’s en microfoons. Jarenlang werd het leef- en broedgedrag op afstand in de gaten gehouden, zonder daarbij de natuurlijke leefomgeving te verstoren – iets dat zonder de motes niet mogelijk was geweest. De resultaten waren live te volgen via een openbare website en hebben biologen meer inzicht gegeven in het leef- en broedgedrag van de zeevogels.

Micromanagement in landbouw

Temperatuurmap van de wijngaard met lokaties van de moten.De vruchtbaarste uitkomsten werden behaald in een wijngaard in Californië. Hier werden 65 motes over het land verspreid, die inzicht moesten geven in de rijping van druiven voor de productie van wijn. De motes hielden het aantal uren zonlicht bij, evenals de gemiddelde temperatuur en de hoeveelheid neerslag (vochtigheidsgraad). In een wijngaard zijn deze elementen van groot belang, omdat ze het juiste moment kunnen aangeven wanneer een veld gerooid kan worden. Druiven die te veel of te weinig gerijpt zijn, bijvoorbeeld doordat ze meer of minder zonlicht vangen, zijn waardeloos om als basis voor wijn te dienen. Het sensor netwerk gaf precies aan welk deel van het veld rijp was om gerooid te worden en welk deel beter nog wat langer kon blijven staan (afhankelijk van de hoeveelheid genoten zon en water). Dergelijk micromanagement is een waardevol hulpmiddel in de landbouw, omdat het precies aangeeft hoe er maximaal gebruik kan worden gemaakt van het land: welk type plant groeit het beste op welke plek, gedurende welke tijd?

Open architectuur

mote layout Een mote bestaat uit klein moederbord, ongeveer ter grote van een twee euro muntstuk. Hierop zit een Intel ARM microprocessor, geklokt op 12 MHz, met 64 KB RAM en 512 KB flashgeheugen. Een Bluetooth-radio is standaard aanwezig en heeft een bereik van ruim 30 meter. Verder zijn er aansluitingen voor communicatieprotocollen als usb en een connector voor externe apparaten zoals een sensor of camera. Op het printplaatje is tevens een antenne geïntegreerd, die optioneel nog verlengd kan worden met behulp van een externe antenne. De vierkante mote meet 2,8cm in breedte.

Energiegebruik

Eén van de vraagstukken voor de werking van al dit moois is hoe een mote aan z’n energie komt. Het communiceren via Bluetooth kost stroom en het lijkt ondoenlijk om alle motes op het elektriciteitsnetwerk aan te sluiten (bijvoorbeeld in het geval van een wijngaard of op de Golden Gate-brug). Het energiegebruik in de motes is daarom bewust minimaal gehouden. De motes zitten het grootste deel van de tijd in een slaapstand. Alleen op gezette tijden, of wanneer er een bepaalde verandering geconstateerd wordt, ontwaakt hij en zendt de gegevens door. Voorts zijn de gebruikte componenten zo geoptimaliseerd dat niet meer stroom geconsumeerd wordt, dan absoluut noodzakelijk is. Hierdoor werkt een mote gemiddeld een maand op één knoopcel, of een half jaar op een enkele AA-batterij. De energievoorziening kan verder worden uitgebreid met meerdere batterijen, afhankelijk van de duur en intensiteit van een project. Wanneer motes een standaard onderdeel van de uitrusting gaan worden, is het wel verstandig om deze direct op het stroomnet aan te sluiten. Op die manier worden motes bijvoorbeeld ingezet in olietankers en fabrieken, om machines en processen te controleren. Overigens zou het uiteraard ook een mogelijkheid zijn om motes uit te rusten met zonnecellen, zodat ze zelf energie opwekken en niet meer afhankelijk zijn van andere bronnen.

Tiny OS

Als besturingsssteem wordt TinyOS gebruikt, een open-source platform van de universiteit van Berkeley (Californië), waar Intel een eigen lab heeft. Het besturingssysteem is speciaal ontwikkeld voor draadloze sensornetwerken en geporteerd voor gebruik door ARM-processors. Momenteel wordt de software door ruim 500 bedrijven en projectgroepen gebruikt. De architectuur is volledig schaalbaar op basis van de gebruikte componenten, neemt daardoor weinig geheugenruimte in beslag en is gemakkelijk aan te passen aan nieuwe componenten en fysieke interfaces. Doordat de software open source is, kan in principe iedereen met een beetje programmeerkennis met de motes aan de slag (ze zijn al daadwerkelijk te koop).

Schema met de verschillende softwarelagen

De toekomst

Bevinden motes zich momenteel nog voornamelijk in een wetenschappelijk stadium, het is zeker dat ze binnen enkele jaren een onderdeel van het dagelijks leven zullen uitmaken. Het bedrijfsleven kan de motes goed gebruiken om machines en gebieden te monitoren, zonder dat daar personeel voor nodig is. Voor de gezondheidszorg worden kleine apparaten ontwikkeld die conditie van een patiënt in de gaten houden en direct alarm slaan wanneer een vitale functie niet optimaal functioneert (en tegelijkertijd gegevens opslaan over het wel en wee van de patiënt, ten behoeve van analyses). Via een pda kunnen deze gegevens direct uitgelezen worden door bijvoorbeeld een arts, waardoor sneller een diagnose kan worden gesteld.

Combinatie met RFID

De mogelijkheden van motes in combinatie met Radio Frequency Identification (RFID) blijven ook niet onopgemerkt; motes kunnen eenvoudig gekoppeld worden aan RFID-chips. Dit schept allerlei nieuwe futuristische mogelijkheden. Denk hierbij bijvoorbeeld aan draadloos betalen terwijl u in de winkel staat, automatisch toegang krijgen tot bepaalde gebouwen en ruimtes waarvoor u een machtiging hebt en het identificeren van patiënten compleet met medisch dossier. Uw auto start niet meer zonder dat u er in zit, uw huis opent zich alleen voor u en uw familie. De thermostaat in uw huis verwarmt alleen het deel in uw huis waar u zich op dat moment begeeft en op basis van uw lichaamstemperatuur (warm of koud). Sensoren in uw lichaam houden uw gezondheid in de gaten en komen zelf met een prognose en advies wanneer u ziek bent, of adviseren de dokter te bellen wanneer er meer aan de hand dreigt te zijn. Deze scenario’s zijn niet ondenkbaar. Er zijn momenteel al prototypes waarbij alle componenten van de huidige motes in één chip verwerkt zitten, die zo klein is als een speldenknop. We komen dan al snel uit bij chipimplantaten, maar dat roept een maatschappelijk vraagstuk op over de wenselijkheid.

Conclusie

Gezien de kostprijs en de open architectuur zijn er legio mogelijkheden te bedenken voor sensornetwerken, zowel voor het bedrijfsleven als huishoudelijke zaken. Al was het alleen al niet om te waarschuwen dat de koffie klaar is of de planten water nodig hebben.

Reageren via Facebook

Over Jeroen Horlings

Jeroen Horlings (1974) werkt als freelance IT-journalist namens zijn bedrijf ExaMedia. Hij schrijft onder andere voor Computable, RetailPartner, Zoom.nl, Computer!Totaal, Computer Idee en boekenuitgeverij Pearson. Alles wat met technologie te maken heeft is een potentieel onderwerp - van trends op internet, vernuftige software en innovatieve hardware tot wetenschap en fotografie.