Sensores

Un sensor sin batería para exploración submarina.

Para investigar los océanos inmensamente inexplorados que cubren la mayor parte de nuestro planeta, los investigadores apuntan a construir una red sumergida de sensores interconectados que envíen datos a la superficie, un "internet de las cosas" submarino. Pero ¿cómo suministrar energía constante a los sensores diseñados para permanecer durante mucho tiempo en las profundidades del océano?

Los investigadores del MIT tienen una respuesta: un sistema de comunicación subacuático sin batería que utiliza alimentación casi nula para transmitir datos del sensor. El sistema podría usarse para monitorizar la temperatura del mar para estudiar el cambio climático y rastrear la vida marina durante largos períodos, e incluso tomar muestras de aguas en planetas distantes. Presentarán el sistema en la conferencia SIGCOMM esta semana, en un documento que ganó el premio al "mejor trabajo" de la conferencia.

El sistema hace uso de dos fenómenos clave. Uno, llamado "efecto piezoeléctrico", ocurre cuando las vibraciones en ciertos materiales generan una carga eléctrica. El otro es la "retrodispersión", una técnica de comunicación comúnmente utilizada para etiquetas RFID, que transmite datos reflejando señales inalámbricas moduladas de una etiqueta y de regreso a un lector.

En el sistema de los investigadores, un transmisor envía ondas acústicas a través del agua hacia un sensor piezoeléctrico que ha almacenado datos. Cuando la onda golpea el sensor, el material vibra y almacena la carga eléctrica resultante. Luego, el sensor utiliza la energía almacenada para reflejar una onda de regreso a un receptor, o no refleja nada en absoluto. La alternancia entre la reflexión de esa manera corresponde a los bits en los datos transmitidos: para una onda reflejada, el receptor decodifica un 1; para ninguna onda reflejada, el receptor decodifica un 0.

"Una vez que tiene una forma de transmitir 1s y 0s, puede enviar cualquier información", dice el coautor Fadel Adib, profesor en el MIT Media Lab y el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Informáticas y director fundador del Signal Kinetics Research Group. "Básicamente, podemos comunicarnos con sensores subacuáticos basados ​​únicamente en las señales de sonido entrantes cuya energía estamos cosechando".

Los investigadores demostraron su sistema de retrodispersión piezoacústico en una piscina MIT, utilizándolo para recolectar mediciones de temperatura y presión del agua. El sistema fue capaz de transmitir 3 kilobytes por segundo de datos precisos de dos sensores simultáneamente a una distancia de 10 metros entre el sensor y el receptor.

Las aplicaciones van más allá de nuestro propio planeta. El sistema, dice Adib, podría usarse para recopilar datos en el océano subterráneo recientemente descubierto en la luna más grande de Saturno, Titán. En junio, la NASA anunció la misión Dragonfly para enviar un rover en 2026 para explorar la luna, tomar muestras de depósitos de agua y otros sitios.

"¿Cómo se puede colocar un sensor debajo del agua en Titán que dura mucho tiempo en un lugar donde es difícil obtener energía?", Dice Adib, quien coescribió el artículo con el investigador de Media Lab JunSu Jang. "Los sensores que se comunican sin batería abren posibilidades para detectar en entornos extremos".

Prevenir la deformación
La inspiración para el sistema golpeó mientras Adib estaba viendo "Blue Planet", una serie documental sobre la naturaleza que explora varios aspectos de la vida marina. Los océanos cubren alrededor del 72 por ciento de la superficie de la Tierra. "Se me ocurrió lo poco que sabemos del océano y cómo los animales marinos evolucionan y procrean", dice. Los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) podrían ayudar a esa investigación, "pero bajo el agua no puedes usar señales de Wi-Fi o Bluetooth ... y no quieres colocar baterías en todo el océano, porque eso plantea problemas con la contaminación". "

Eso llevó a Adib a los materiales piezoeléctricos, que han estado presentes y utilizados en micrófonos y otros dispositivos durante unos 150 años. Producen un pequeño voltaje en respuesta a las vibraciones. Pero ese efecto también es reversible: la aplicación de voltaje hace que el material se deforme. Si se coloca bajo el agua, ese efecto produce una onda de presión que viaja a través del agua. A menudo se usan para detectar buques hundidos, peces y otros objetos submarinos.

"Esa reversibilidad es lo que nos permite desarrollar una tecnología de comunicación de retrodispersión submarina muy potente", dice Adib.

La comunicación se basa en evitar que el resonador piezoeléctrico se deforme naturalmente en respuesta a la tensión. En el corazón del sistema hay un nodo sumergido, una placa de circuito que alberga un resonador piezoeléctrico, una unidad de recolección de energía y un microcontrolador. Cualquier tipo de sensor puede integrarse en el nodo mediante la programación del microcontrolador. Un proyector acústico (transmisor) y un dispositivo de escucha bajo el agua, llamado hidrófono (receptor), se colocan a cierta distancia.

Digamos que el sensor quiere enviar un bit 0. Cuando el transmisor envía su onda acústica al nodo, el resonador piezoeléctrico absorbe la onda y se deforma naturalmente, y el recolector de energía almacena una pequeña carga de las vibraciones resultantes. El receptor no ve señal reflejada y decodifica un 0.

Sin embargo, cuando el sensor quiere enviar un bit, la naturaleza cambia. Cuando el transmisor envía una onda, el microcontrolador utiliza la carga almacenada para enviar un pequeño voltaje al resonador piezoeléctrico. Ese voltaje reorienta la estructura del material de una manera que evita que se deforme y, en cambio, refleja la onda. Al detectar una onda reflejada, el receptor decodifica un 1.

Detección de aguas profundas a largo plazo

El transmisor y el receptor deben tener energía, pero se pueden colocar en barcos o boyas, donde las baterías son más fáciles de reemplazar, o conectarse a enchufes en tierra. Un transmisor y un receptor pueden recopilar información de muchos sensores que cubren un área o muchas áreas.

"Cuando se rastrea un animal marino, por ejemplo, se desea rastrearlo en un recorrido largo y se desea mantener el sensor en él durante un largo período de tiempo". No debe preocuparse por una batería agotada ", dice Adib. "O, si desea rastrear gradientes de temperatura en el océano, puede obtener información de sensores que cubren varios lugares diferentes".

Otra aplicación interesante la monitorización de piscinas de salmuera, grandes áreas de salmuera que se encuentran en piscinas en cuencas oceánicas y que son difíciles de monitorizar a largo plazo. Existen, por ejemplo, en la plataforma antártica, donde la sal se deposita durante la formación de hielo marino, y podría ayudar a estudiar la fusión del hielo y la interacción de la vida marina con las piscinas. "Pudimos sentir lo que está sucediendo allí, sin la necesidad de seguir activando los sensores cuando sus baterías se agotan", dice Adib.

A continuación, los investigadores pretenden demostrar que el sistema puede funcionar a distancias más lejanas y comunicarse con más sensores simultáneamente. También esperan probar si el sistema puede transmitir sonido e imágenes de baja resolución.

El trabajo está patrocinado, en parte, por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.

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