Sieci czujników bezprzewodowych inspirowane żywymi organizmami

Sieci czujników bezprzewodowych inspirowane żywymi organizmami

Europejscy i hinduscy naukowcy w ramach finansowanego przez Unię Europejską programu WINSOC, badają samoorganizującą się sieć bezprzewodowych czujników monitorujących środowisko, wykorzystującą mechanizmy zaczerpnięte z żywych organizmów. Badania prowadzone są pod kątem uodpornienia sieci na awarie pojedynczych czujników oraz możliwości implementacji ich na dużą skalę.

Monsunowe deszcze padające w indyjskim stanie Kerala często powodują osuwanie się ziemi. Aby móc zapobiegać ewentualnym tragediom, sieć czujników bezprzewodowych monitoruje sytuacje geologiczną.

Czujniki bezprzewodowe stały się popularne dzięki niewielkim rozmiarom, prostocie, niskiej cenie oraz braku uciążliwego okablowania. Mają one jednak i wady; wymagają zasilania z baterii, łączność może zostać zerwana, a wiele czujników przesyłających informacje jednocześnie może powodować blokowanie systemu. Jednakże awarie pojedynczych czujników nie mają większego wpływu na pracę całej sieci.

To, co odróżnia WINSOC od poprzednich projektów tego rodzaju, to wyraźna inspiracja systemami biologicznymi. Sieci zbudowane są z wielu pojedynczych czujników, zupełnie tak, jak organizmy z pojedynczych komórek.

„Żywe organizmy są odporne na obumieranie uszkodzonych komórek,” – powiedział Sergio Barbarossa z University of Rome 'La Sapienza', który jest koordynatorem projektu WINSOC. „Zachowanie większości organów jest wynikiem interakcji pomiędzy wieloma komórkami, podczas gdy żadna z osobna nie jest ani szczególnie odporna, ani ‘świadoma’ całego procesu.”

Dobrym przykładem jest bicie serca, które jest sterowane przez interakcje pomiędzy kilkoma komórkami stymulującymi serce. Nawet jeśli któraś z nich nie działa właściwie, serce pozostaje stabilne i dostosowuje się do nowych warunków.

„Punktem wyjścia projektu WINSOC było stworzenie modeli matematycznych systemów biologicznych i przełożenie ich na język algorytmów tak, by określić to jak czujniki powinny ze sobą współpracować.” – powiedział Barbarossa.

W oparciu o te modele stworzono prototypowy czujnik. Pozostała jednak do rozwiązania kwestia tego, jak sieć będzie działać po awarii kliku pojedynczych czujników.

Odpowiedzią na to zagadnienie jest samoorganizacja. W skonstruowanej przez WINSOC sieci, sąsiadujące czujniki komunikują się ze sobą uzgadniając swoje odczyty. Następnie sieć znajduje najlepszą drogę przesyłu danych do centrali przy uwzględnieniu tych węzłów, które pracują bez zarzutu.

Zasada działania została przetestowana w systemie wykrywania osuwisk. Prototypowa sieć czujników geologicznych została zainstalowana w lasach deszczowych Idduki w Kerala, regionie szczególnie narażonym na osuwanie się ziemi w porze deszczowej.

„Nasi hinduscy partnerzy zakopali w ziemi czujniki, zdolne do monitorowania wilgotności, porowatości gruntu oraz działających sił.” – powiedział Barbarossa. „Czujniki te są połączone z satelitą, który gromadzi dane i przekazuje je do centrali.” – dodał. Sieć składa się z 12 czujników geologicznych podłączonych do 15 bezprzewodowych węzłów rozmieszczonych na obszarze 3 hektarów.

Podczas drugiej demonstracji, zespół zaimplementował symulator komputerowy, który emuluje rozprzestrzenianie się pożaru w lesie. Symulator imituje również sieć czujników stworzoną do ostrzegania przed pożarem lasu. Czujniki zostały rozmieszczone w lesie w Czechach, a ich zadaniem było wykrycie i zlokalizowanie źródła ciepła i dymu.

Naukowcy oczekują, że w dłuższej perspektywie czasu, projekt przyniesie dwie zasadnicze korzyści. „Pierwszą będzie możliwość monitorowania Ziemi przy pomocy systemu zdolnego do podejmowania samodzielnych decyzji.” – stwierdził Barbarossa. „Jest to szczególnie ważne w odległych obszarach, gdzie trudno jest wymieniać baterie, czy naprawiać uszkodzone czujniki.” – dodał.

Drugim kluczowym celem jest postęp w projektowaniu systemów samoorganizujących się. „Wierzymy, że przenoszenie pomysłów z biologii do inżynierii i na odwrót może przynieść korzyści obu dziedzinom.”

(lk)