Langaton tiedonsiirto tehdasautomaatiossa

1. Langaton tiedonsiirto tehdasautomaatiossa Tulevaisuus Smart Systems 2007 Reino Virrankoski 7.6.2007 reino.virrankoski@tkk.fi

2. Muutamia lähitulevaisuuden kehitysteemoja • Akkujen / paristojen kehitys • Energian kerääminen ympäristöstä • Matkapuhelin monitoimilaitteena • Oppivat järjestelmät

3. Akkujen / paristojen kehitys • Pyrkimys samanaikaisesti pienempään ja pitkäikäisempään • Anturinoodit halutaan nykyistä pienemmiksi ja halvemmiksi (Smart Dust) • Paristoja ei haluta vaihtaa kovin usein – teollisissa sovelluksissa halutaan suuruusluokaltaan 10 vuoden käyttöikää ilman teholähteen vaihtoa Muutamien tavalisimpien anturinoodien energiantarve

4. Monesti pullonkaulana ei ole anturien vaan teholähteen minityarisointi 3 kpl AA-paristoja kortin alla Footprint valoanturille Kiihtyvyysanturi Kuvat XYZ-anturinoodista (Yale University, Embedded Networks and Applications Laboratory, 2004-2005, http://www.eng.yale.edu/enalab/XYZ/ )

5. Monesti pullonkaulana ei ole anturien vaan teholähteen minityarisointi Minityarisoitu kiihtyvyys- ja valoanturi nappiparistoon liitettynä. Kuvassa näkyvä valkoinen jana vastaa 1mm pituutta. Kuva: University of California at Berkeley, Sensor & Actuator Center

6. Uudelleenladattavat kalvoparistot • Voidaan liittää suoraan chippeihin • Voidaan tehdä minkä muotoiseksi tahansa • Vakiokustannus pinta-alayksikköä kohti, joten pienempi koko ei lisää valmistuskustannuksia • Ohut ja joustava • Ladattava Li-LiCoO2 kalvoparisto. Kapasiteetti 150 µAh / 3.8 – 4.2 V alhaisella virralla. Oak Ridge National Lab.

7. Nanoparistot • 1990-luvun lopulla, kemian professori Dale Teeters (University of Tusla) ja kaksi hänen tutkimusryhmänsä opiskelijaa, N.Korzhova and L.Fisher, keksivät nanopariston • Heinäkuussa 2003 keksinnölle myönnettiin Yhdysvalloissa U.S. Patent 6,586,133 • 0.06 mm paksu • 100-200 nm (0.0001-0.0002 mm) halkaisijaltaan olevat sylinterit

8. Nanograss • Bell Laboratories & Lucent Technologies • Nestemäiset elektrolyyttipisarat pysyvät uinuvassa tilassa nanoputkien kärjessä, kunnes ne pudotetaan sähkövirralla alas, jolloin elektrolyytti täyttää tilan nanoputkien välissä • Pitkä säilytysikä • Miniatyrisoidun paristotekniikan kehitys: kunkin nanoputken pituus on 0.007 mm ja halkaisija 350 nm

9. Radioaktiiviset materiaalit • Kemiallisiin reaktioihin verrattuna ylivertainen energiatiheys • Paristoon nähden kymmentuhatkertainen, polttokennoon nähden tuhatkertainen • Pitkäikäisyys • Huomioitava ympäristö- ja turvallisuusriskit • Energiatiheys yhdessä milligrammassa teholähdettä:

10. Radioaktiiviset materiaalit • Radioaktiivisen teholähteen output seuraa tarkasti aineen puoliintumisajan määrittämää aktiivisuuskuvaajaa • Ympäristöriippumaton ja hyvin määritelty energiansyöttö • Hyvä materiaali emittoi vain alfa- tai betasäteilyä, mutta ei gammaa • Pienempi suojaustarve • Testattuja ja sovellettuja radioaktiivisia isotooppeja: • Nikkeli-63 • Prometium-147 • Teknetium-99 • Plutonium-238 • Curium-242 ja Curium-244 • Strontium-90

11. Nikkeli-63 paristo • Kehittäjä Cornell University • 1 mm levyinen kupariliuska ohuen nikkeli-63 kalvon yläpuolella Beta-aktiivinen säteilylähde varaa kupariliuskaa negatiivisesti, kunnes se taipuu kiinni säteilylähteeseen, varaus purkautuu ja sama ilmiö toistuu Energiaa voidaan kerätä joko hyödyntämällä syntyvää potentiaalieroa tai sitten käyttämällä liuskan liikkeen mekaanista energiaa

12. Energian kerääminen ympäristöstä • Koska langattomille anturinoodeille riittää hyvin pieni teholähde, on energian kerääminen toimintaympäristöstä varteenotettava vaihtoehto • Ympäristöstä kerättävä energia on ilmaista • Päästään eroon paristojen ja akkujen kehityksestä aiheutuvista ongelmista • Anturinoodien valmistuskustannukset saadaan pienemmiksi • Ympäristöystävällisyys • Erityisen varteenotettava vaihtoehto tehdasympäristössä, jossa koneet, lämpötilaerot, sähkövirta jne. tarjoavat useita mahdollisuusksia energian keräämiseen

13. Sähkömagneettinen kenttä • Mikäli anturinoodin toimialueella on muuttuva sähkömagneettinen kenttä, energiaa voidaan kerätä siitä induktioperiaatteen avulla • Muuttuva sähkömagneettinen kenttä on tunnettava ja joko sen on oltava olemassa koko ajan, tai sitten anturinoodilla on oltava backup-teholähde • Sattumanvaraisesti muuttuva sähkämagneettinen kenttä voi aiheuttaa myös vakavia toimintahäiriöitä Omni-directional receiver coil for the power supply => constant power output regardless of orientation Radio transceiver Antenna WISA Communication Module / ABB

14. Sähkömagneettinen kenttä / WISA-POWER • “Wireless Power Supply” • Uses electromagnetic coupling and magnetic fields (~120 kHz) • Typical power value: 10 mW…100 mW • Typical application 6*6*3 m A Power supply (A) feeds primary loop (B) with an alternating current at 120 kHz. Sensors (C) within the primary loop are equipped with secondary coils.

15. Energian kerääminen radiosignaalista • Sähkömagneettisen kentän erikoistapaus • Tunnetuin sovellus RFID • Tagin energiantarve ja koko hyvin pieni, mutta lukijan useaa kertaluokkaa suurempi • Lainsäädäntö rajoittaa käytettävissä olevaa taajuusaluetta • Ainakin lähitulevaisuudessa vain hyvin lyhyen kantaman sovellukset

16. Energian kerääminen värähtelyistä • Erilaiset mikrokokoiset generaattorit • Pietsosähköiset materiaalit • Mekaaninen värähtely, paine, ääni,... • Kunnonvalvonnassa värähtelyjen loppuminen voi automaattisesti siirtää anturinoodin tehonsäästötilaan (sleeping mode) ja värähtelyjen alkaminen vastaavasti herättää noodin

17. Energian kerääminen värähtelyistä Dielektrinen kengänkorko. Yksi askel tuotaa keskimäärin 0.8 J, joten kävelytahti 2 askelta sekunnissa tuottaa 800 mW tehon. Vibration-based self-powered system by Amirtharajah and Chandrakasan. A moving coil generator is used which consists of a mass attached to a spring, which is attached to a rigid housing. Transformer X1 (with a 1:10 turns ratio) converts the output voltage of the generator to a higher voltage that can be rectified by the half-wave rectifier formed by diode D1 and capacitator C1. Voltage is a time-varying input voltage to the regulator.

18. Valokennot • Soveltuvat energian keräämiseen sekä sisä- että ulkotiloissa • Huomattavasti tehokkaampia ulkotiloissa, missä saatavilla auringonvaloa • Energia täytyy ”puskuroida” – tarvitaan pieni ladattava teholähde • Valokennossa tarvittavaa pinta-alaa ei voi minityarisoida loputtomiin, ja valokennojen tekeminenkin maksaa Heliomote, kehittäjä University of California, Los Angeles Valokennon auringonvalossa tuottama latausvirta yhdeksän päivän ajalta

19. Termoparit • Paikallisten lämpötilaerojen hyväksikäyttö • Termoparissa joko kaksi erityyppistä metalliseosta tai n- ja p-tyyppiset puolijohteet • Lämpötilaero termoparin komponenttien välillä synnyttää jännitteen • Sama tekniikka lämpötila-antureissa • Energiakonversion tehokkuus riippuu lämpötilaerosta • Esim. 10% lämpötilaeron ollessa suuruusluokkaa 180°C ja 1% lämpötilaeron ollessa suuruusluokkaa 10°C

20. Termoparit • Pienikin lämpötilaero riittää vähän energiaa kuluttaville sovelluksille • Seiko Thermic Wirstwatch hyödyntää Applied Digital Solutions’in kehittämää termopariin perustuvaa generaattoria, joka pystyy tuottamaan 5°C lämpötilaerolla 3V jännitteen ja 10 μA:n virran

21. Energiaa ihmiskehosta • Esim. body area network –sovellukset sekä terveydenhuoltosovellukset • Sovelusmahdollisuudet muualla kuin terveydenhuollossa hyvin rajalliset

22. Energian kerääminen: yhteenvetoa • Tehdasympäristössä energiaa langattomien anturinoodien toimintaan voidaan kerätä mm. • Valosta (valaistus, auringonvalo, jos saatavilla jossain paikoissa) • Värähtelyistä (koneiden mekaaninen liike, paine-erot, ilmavirtaukset, kovat äänet) • Paikallisista lämpötilaeroista (esim. lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät) • Sähkömagneettisesta kentästä (muuntajat, johtimet, vartavasten energiansiirtoa varten rakennetut paikalliset kentät) • RFID • Lukija vaatii tehoa tuntuvasti tagia enemmän

23. Matkapuhelin monitoimilaitteena • Esimerkiksi anturinoodeihin verrattuna matkapuhelimissa on huomattavasti enemmän laskenta-, muisti- ja tehokapasiteettia • Samaan tapaan kuin PC-tietokoneilla, myös matkapuhelimilla suurin osa kapasiteetista on pitkiä aikoja pois käytöstä • Matkapuhelinverkko mahdollistaa globaalin yhteyden sekä integroitumisen Internetiin • Automaation kaukokäyttö • Automaattiset vikailmoitukset

24. Muutakin kuin matkapuhelinverkko • Useat matkapuhelimet ovat jo pidemmän aikaa tukeneet muitakin langattoman tiedonsiirron protokollia • Infrapuna • Bluetooth • WLAN • Lisäksi ovat yleistymässä • RFID: puhelin lukulaitteena • ZigBee • Lähitulevaisuudessa todennäköisesti myös Wibree

25. Puhelin maksulaitteena: The Wallet Phone • Yleisin Kaukoidässä • Japanilaisoperaattori DoCoMo • A wireless smart card chip, FeliCa (from the English word "felicity") developed by Sony Corp. • Älysiru pankki/luottokortin sijasta puhelimeen • Royal Philips Electronics for close proximity, low-data-rate transactions

26. Z-SIM launch and first services Z-SIM Z • Analysis for ZigBee integration • Z-SIM fully integrated Z 2H/2006 1H/2005 1H/2006 2H/2005 Zigbee matkapuhelimessa: ZSIM • ZigBee-radio on integroitu SIM-korttiin • Voidaan käyttää myös vanhemmissa puhelimissa • Telecom Italia, 2006

27. Service Center Confirmation for buying “Il fuggiasco”. Push Ok. ZigBee matkapuhelimessa: ZSIM • Matkapuhelin voi olla suoraan yhteydessä ZigBee-verkkoon • Puhelin voi toimia samalla yhtenä anturinoodina • ZigBee-verkko voidaan muodostaa kokonaan matkapuhelimista NETWORK OPERATOR INFRASTRUCTURE ZigBee Network

28. Wibree

29. Matkapuhelimen muuttuva käyttö • Operaattorin tarjoama GSM / 3G –yhteys puheluissa ja mahdollisesti multimediassa • WLAN-yhteys paikallisen WLAN-verkon kautta Internetiin • Bluetooth-yhteys joihinkin yksittäisiin toimilaitteisiin • Esim. tiedonsiirto kannettavan PC:n, puhelimen ja printterin välillä • Tietoa RFID-tageja lukemalla • Esim. Elintarvikepakkaukset kaupoissa • Maksuliikenne puhelimeen integroidulla pankki/luottokortin sirulla • ZigBee-yhteys lyhyen kantaman paikallisverkkoihin  Käyttäjän mahdollisuus kilpailuttaa palveluntarjoajia jatkuvasti, vaikka käytössä on yksi ja sama puhelin

30. Matkapuhelimen muuttuva käyttö • Suuren osan käyttöajastaan matkapuhelin on standby-tilassa, jolloin siinä on vapaana huomattava määrä laskenta- ja tietoliikenneresursseja • Sellaisissa paikoissa joissa ihmisiä puhelimineen on tavallisesti runsaasti (suuret kaupungit, lentokentät, ostoskeskukset jne.) voitaisiin hyödyntää tarjolla olevaa käyttämätöntä laskenta- ja tietoliikennekapasiteettia • Huolehdittava tietoturvasta • Käyttäminen vatii tehoa: puhelinten akut kuluvat • Kukaan tuskin antaa kolmennen osapuolen hyödyntää ilmaiseksi puhelintaan, mutta entä jos omistaja saisi myydä ko. resursseja?

31. Oppivat järjestelmät • Ei ainoastaan passiivista datan keräämistä, vaan automaattinen reagointi mittausdataan • Kunnonvalvonnassa erityypisten vikatilanteiden tunnistaminen ja reagointi niihin • Esim. terveydenhuollon tai vanhustenhuollon sovelluksissa toimintarutiinien tunnistaminen ja seuranta, erityisesti tavallisesta poikkeavan käytöksen sekä vahinko- ja vaaratilanteiden tunnistaminen • Paikallinen päätöksenteko langattomassa verkossa • Näytteenottotaajuuden sovittaminen paikallisesti mittausdatan perusteella • Liikkuminen aktiivisten ja passiivisten toimintamoodien (sleep and wake periods) välillä paikallisen päätöksenteon perusteella • Tarpeettoman toiston suodattaminen datasta • Itsevirittyvien säätimien toteutus langattomassa automaatiojärjestelmässä

32. ESIMERKKI 1 Esimerkki 1: Smart Kindergarden • University of California, Los Angeles, Center for Embedded Networked Sensing MICA iBadge MK-2 MK-2 Unltrasonic Ranging Board Medusa MK-2 and MICA sensor nodes and iBadge device all equipped with ultrasonic transmitter receiver boards used for distance measurements (ranging). Distance information is then used for node localization. In Medusa MK-2 Ultrasonic Ranging Board, the ultrasonic transmitters are using 40KHz frequency and the effective maximum measurement range is 5 meters giving average 1 cm accuracy. Picture from [3]. Localization infrastructure used in the Smart Kindergarten project at UCLA. http://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/default.htm

33. ESIMERKKI 2 Esimerkki 2: Assisted Living • Yale University, Embedded Networks and Applications Laboratory • AER (Address-Event Representation) • Ansynchronous protocol for encoding and communicating sensory data between a transmitting sensor and receiving processing unit • Originally model of biological transmission systems in neural network • AE system is usually composed of thousands or hundreds of basics cells or elements either transmitting or receiving data • Event, communication packet sent by sender to one or more receivers • Event includes simple form of the address of transmitting element T. Teixeira, D. Lymberopoulos, E. Culurciello, Y. Aloimonos and A. Savvides, A Lightweight Camera Sensor Network Operating on Symbolic Information, Proceedings of First Workshop on Distributed Smart Cameras 2006, held in conjunction with ACM SenSys 2006

34. ESIMERKKI 2 Address-Event Representation

35. ESIMERKKI 2 Address-Event Representation • AER image sensor is sensitive to ligh intensity • Events are generated when individual pixels reach a threshold • Brightest pixel will generate events first and more frequently • AER image sensor can also be sensitive to changes in light intensity Advantages: • No software polling -> events are generated by hardware • Ranking and transmitting only relevant information -> compressed data and reduced latency to recognition • Simple encoding data -> suitable for sensor networks, able to detect complex features in scene • Privacy issues

36. ESIMERKKI 2 AER imager functions 128x96 pixels Bandwidth savings above 94% versus raw image (128x96x8=98304 vs 400x(7bit+7bit)=5600 bits)

37. ESIMERKKI 2 AER pattern recognition

38. ESIMERKKI 2 Pattern recognition evaluation in emulator

39. ESIMERKKI 2 Sensory grammars • Sensory grammar hierarchy processes inputs from AER image sensor event stream into more semantic form

40. ESIMERKKI 2 Application: Assisted living • Application focus is to help elders living alone • Lightweight, privacy preserving network for observing activity inside • Interpretation model can recognize unsafe and out-of-ordinary behaviours • Two types of patterns are observed: • Well defined activies and rules that raise exception in system • Long term statistical properties of behaviour

41. ESIMERKKI 2 Application: Assisted living iMote2: low-power XScale processor (PXA271) +CC2420). The frequency dyn. scalable 13 MHz to 416 MHz, 256 KB of integrated SRAM, 32 MB of external SDRAM, and 32 MB of Strataflash memory. Camera-board: OmniVision OV7649 Deep sleep power consup. ~1.8mW, full speed 322mW (8fps)

42. ESIMERKKI 2 Application: Assisted living

43. Application: Assisted living ESIMERKKI 2

44. ESIMERKKI 2

45. ESIMERKKI 2 Conclusion • AER image sensor provide low-energy, computation less, and privacy preserving technique to observe human behaviours • Use of sensory grammars is not only limited to assisted living • potential targets: security, gaming, etc.