Powstają planetarne sieci sensoryczne

Rys 1. Urządzenia tworzące sieć Quake Catcher Network wykryły trzęsienia ziemi mające miejsce 17 grudnia 2010 na południu Grecji (zaznaczone na żółto) o sile 4,9 stopnia w skali Richtera oraz dzień później ok. 450km na zachód na Morzu Jońskim o sile 5 stopni (na czerwono); dla porównania aplikacja pokazuje również wstrząsy historyczne (na niebiesko), jak np. te o sile 9,1 stopnia w skali Richtera na Oceanie Indyjskim w 2004 oraz o sile 8,6 stopnia w Tybecie w roku 1950. Źródło: Nokia

Telefon komórkowy jest z natury sensorem, gdyż nawet jego mikrofon na podstawie odgłosów tła, takich jak np. szumy ruchu ulicznego, dostarcza informacji o tym, w jakim środowisku się znajduje. Dzięki połączeniu sensorów można wykorzystać informacje każdego z nich, m.in. z czujnika światła oraz tworzyć aplikacje, o których nigdy wcześniej nawet nie myślano.

Sensory MEMS znajdujące się w komórkach mogą monitorować kondycję Ziemi. Hewlett-Packard stworzył platformę sensoryczną do pomiaru drgań, dźwięku, światła, temperatury, ciśnienia, wilgotności i czynników chemicznych, a sieć stworzona z miliardów takich układów pokryje niemal całą Ziemię w ramach systemu Central Nervous System for Earth (CeNSE), który pozwoli zbierać dane o wpływie człowieka na planetę.

HP zapewnia, że jej technologia MEMS pozwala na produkcję sensorów o tysiąc razy wyższej czułości niż obecne czujniki do uruchamiania poduszek powietrznych w samochodach, a cena nawet najbardziej złożonego sensora może zostać obniżona dzięki masowej produkcji, podobnie jak to miało miejsce w przypadku elektromechanicznych układów do atramentowych głowic drukujących.

Rewolucję na polu sensoryki w urządzeniach konsumenckich rozpoczęło Apple przez wyposażenie iPhone’a w akcelerometr celem automatycznego przełączania wyświetlacza z trybu orientacji pionowej do poziomej. Zdolność akcelerometru do reagowania na ruch człowieka zmieniła wcześniejsze zwykłe operacje, jak np. ręczne przewijanie, w cechy znane z gier (przewijanie za pomocą przechylenia), zwiększając fascynację użytkowników telefonami komórkowymi.

Wyścig polegający na dodawaniu akcelerometrów do wczesnych generacji smartfonów przeistoczył się w integrowanie żyroskopów MEMS, a projekty z 2011 roku prawdopodobnie będą zawierać dodatkowo czujniki wilgotności, temperatury i ciśnienia atmosferycznego. Według firmy Invensense, która w 2009 roku wprowadziła na rynek pierwszy 3-osiowy żyroskop, smartfony stają się coraz bardziej inteligentne, dzięki dodawanym do nich sensorom, przy czym zwykła łączność internetowa nie czyni telefonu inteligentnym.

Dwóch głównych graczy w branży aplikacji smartfonów

Rys. 2. Prototyp węzła sieci sensorycznej wykonany przez HP z wykorzystaniem własnych akcelerometrów MEMS, który będzie częścią systemu CeNSE

Według Invensense, rynek podzielił się na dwa obozy: obóz Apple i obóz Androida. Apple dodaje do swojego iPhone’a coraz to nowe sensory dzięki armii deweloperów tworzących wykorzystujące je aplikacje. Według serwisu Electronista, liczba aplikacji w App Store pod koniec 2010 roku przekraczała 325 tys., a co miesiąc pojawia się 25 tys. nowych.

Jeśli ta tendencja się utrzyma, to należy spodziewać się przekroczenia granicy pół miliona aplikacji w sklepie Apple przed końcem roku 2011. Sytuację na rynku starają się równoważyć platformy z systemem Android, dzięki sklepowi z aplikacjami Android Market, konkurencyjnemu do App Store. Na koniec roku 2010 w Android Market było 200 tys. aplikacji.

Tempo wzrostu jest tu mniejsze niż w przypadku głównego konkurenta, jednak może je przyspieszyć pojawienie się na rynku tabletów z systemem Android 2.4. Dla porównania, przed końcem roku sklep BlackBerry App World miał w swojej ofercie 15 tys. aplikacji, a Palm App Catalog i Windows Phone Marketplace - zaledwie po 5 tys.

Obecnym zadaniem producentów komórek z platformą Android powinno być dodawanie do swoich produktów kolejnych sensorów, które zostaną we właściwy sposób wykorzystane przez deweloperów aplikacji. Stawka jest wysoka, ponieważ od czasu, gdy cena niektórych sensorów MEMS spadła poniżej jednego dolara, każdy dostawca smartfonów stara się zaimplementować ich możliwie najwięcej.

Ponadto, według iSuppli, wartość rynku układów MEMS do telefonów komórkowych przekroczy 1 mld dol. w 2011 roku, przy 821 mln dol w roku 2010, a w 2015 osiągnie 2 mld dol. Pierwszymi aplikacjami wykorzystującymi w nowoczesny sposób sensory smartfonów były wewnętrzne procedury do zarządzania mocą, opracowane przez producentów tuż po tym, gdy zaczęli dodawać akcelerometry do swoich urządzeń.

Na przykład, jeśli oprogramowanie może na podstawie drgań określić, że telefon znajduje się w jadącym samochodzie, to wyłączenie radia Wi-Fi może być źródłem oszczędności mocy. Z kolei jeśli telefon nie przemieszcza się, to moc można oszczędzić dzięki zatrzymaniu stałego odświeżania danych w odbiorniku GPS.

Co prawda są to funkcje inteligentne, jednak nie wykorzystują one informacji z innych smartfonów. Aplikacje rozszerzające zasięg sensora poprzez wykorzystanie danych z innych telefonów są kolejnym etapem technologicznego rozwoju.

Przykłady aplikacji

Rys. 3. Akcelerometr MEMS produkcji HP wykorzystuje 3-warstwowe podłoże z dużą masą pomiarową w środku do zapewnienia wysokiej czułości

Według STMicroelectronics, na świecie można obecnie wyróżnić dwa rodzaje bezprzewodowych sieci sensorycznych. Pierwszy z nich tworzą produkty mobilne z sensorami MEMS, czyli netbooki, laptopy oraz inne urządzenia ręczne, jak np. kamery cyfrowe. Do drugiego rodzaju sieci zaliczają się stałe węzły sensoryczne, które co prawda nie mają funkcjonalności telefonów komórkowych, ale są również bezprzewodowo połączone z Internetem.

Zasięg sieci bazujących na węzłach stałych rozszerza się na całą kulę ziemską dla takich aplikacji, jak monitorowanie środowiska, obsługa techniczna mostów czy zapewnienie gotowości na nagłe wypadki. Hewlett-Packard podpisał umowę na dostarczanie swoich czułych akcelerometrów firmie Shell Oil do bezprzewodowego sejsmicznego systemu obrazującego, który służy do lokalizowania nowych złóż ropy.

Jednocześnie na całym świecie węzły inteligentnych systemów pomiarowych są wzbogacane o czujniki MEMS. Według Analog Devices, przykładem może być tu japońska sieć do wykrywania trzęsień ziemi, bardzo częstych w tamtym rejonie. Doposażenie bezprzewodowych czujników gazu w akcelerometry poprawi zaawansowanie sieci, której węzły są stacjonarne i znajdują się w znanych lokalizacjach w odróżnieniu od akcelerometrów wbudowanych w telefony komórkowe.

Bezprzewodowe sieci o stałych węzłach nie nadążają za dystrybucją populacji zmieniającą się w czasie rzeczywistym, podczas gdy lokalizacja smartfonów zależy od położenia ich użytkowników. Zatem bezprzewodowa sieć sensoryczna bazująca na smartfonach, która byłaby zdolna monitorować jakość powietrza, może stać się siecią wyższej rozdzielczości do wykrywania gazów toksycznych w wypełnionym po brzegi stadionie.

Amerykańscy deweloperzy wykorzystują tę wieloźródłowość w aplikacjach do monitoringu sejsmicznego. Zainicjowaną przez Uniwersytet Stanforda sieć Quake Catcher Network (QCN) do szybszego wykrywania trzęsień ziemi tworzą wolontariusze udostępniający dane z akcelerometrów wbudowanych w urządzenia podłączone do Internetu, głównie laptopy i desktopy.

QCN zainspirowała podobny projekt, Community Seismic Network, sponsorowany przez California Institute of Technology, którego celem jest wykorzystanie również danych gromadzonych przez smartfony. Obecnie programy te służą dokumentowaniu aktywności sejsmicznej, jednak ponieważ trzęsienia ziemi rozchodzą się od punktu, finalnym celem projektów będzie szybkie wykrywanie epicentrów wstrząsów, tak aby w ciągu 60 sekund można było telefonicznie przekazać ostrzeżenia członkom sieci znajdującym się w okolicy.

Inne aplikacje będą wykorzystywać dane z komórek do zapewnienia mniej krytycznych, lecz bardziej praktycznych usług. Według Analog Devices, istnieje wiele rodzajów aplikacji, które mogłyby zrobić użytek z danych pochodzących z innych telefonów. Wiedza o położeniu ludzi jest bardzo użyteczna. Na przykład, wiele osób czekających na przystanku to znak, że mógłby zostać podstawiony dodatkowy autobus, a długa kolejka w hipermarkecie może być sugestią do uruchomienia większej liczby kas.

Przydatne mogą być nawet dane z mikrofonu, np. do określenia miejsca, z którego padł strzał. Ponadto już obecnie istnieją aplikacje pozwalające lekarzom na zdalne diagnozowanie pacjentów, wykorzystujące sensory telefonów komórkowych jako urządzenia diagnostyczne. Usługa o nazwie 3GDoctor zapewnia w ciągu godziny konsultacje z lekarzem za pośrednictwem wideotelefonu 3G.

Automatyczny asystent zbiera historię medyczną oraz informacje o objawach, w tym np. zdjęcia ran lub dźwiękową próbkę kaszlu. Lekarz zdalnie ocenia informacje i może zadać pytania lub poprosić o dodatkowe zdjęcia lub dźwięki, a potem przez wideotelefon przedyskutować diagnozę oraz podać sposoby leczenia. Usługa 3GDoctor wykorzystuje smartfon jako urządzenie diagnostyczne, które zapewnia większą inteligencję niż standardowa wizyta w placówce medycznej.

Według firmy, każda cecha smartfonu może zostać wykorzystana przez lekarza do celów diagnostycznych. Do opisania problemu służą kamera i mikrofon, na ekranie można wyświetlić obrazy celem zbadania wzroku, a panel dotykowy pozwoli na wykrycie drżenia palców. W przyszłości pojawi się znacznie więcej aplikacji wykorzystujących inne sensory, co pomoże pacjentom w identyfikacji problemów zgłaszanych lekarzowi.

Przyszłością może być np. aplikacja zdrowotna obserwująca człowieka podczas snu, dzięki czemu możliwe byłoby określenie najlepszego czasu na pobudkę. Zamiast o ustalonej wcześniej porze włączać alarm, który mógłby potencjalnie przerwać sen, aplikacja na podstawie obserwacji wzorców spania, analizy rytmu oddychania i przewracania się z boku na bok, wybierze odpowiedni moment na pobudkę, po której człowiek byłby całkowicie wypoczęty.

Inne aplikacje skoncentrują się na wykrywaniu nagłych wypadków, jednak bez wywoływania fałszywych alarmów, które mogą być częste w przypadku medycznych urządzeń monitorujących. Na przykład, informacja o upadku osoby przekazana z jej telefonu do placówki medycznej powinna zostać zweryfikowana przed wysłaniem karetki pogotowia, gdyż może oznaczać zwykłe upuszczenie urządzenia.

Przewiduje się, że w ciągu kilku lat usługi tego typu umożliwią użytkownikom wykorzystanie również danych z czujników innych pacjentów celem samodzielnego diagnozowania własnych dolegliwości. Na przykład wykonane mikrofonem nagranie kaszlu będzie mogło zostać porównane z milionami innych próbek nagranych przez ludzi ze znaną diagnozą.

Według iSuppli, usługa 3G Doctor jest przykładem na to, jak deweloperzy mogą w nowoczesny sposób tworzyć użyteczne aplikacje wykorzystujące sensory telefonów. Konkretnym przykładem może być japońska aplikacja społecznościowa o nazwie "Sekai Camera", która wykorzystuje dane z GPS, akcelerometru, kompasu oraz kamery do budowy rzeczywistości rozszerzonej 3D.

Po skierowaniu kamery telefonu w stronę otoczenia, na ekranie telefonu wyświetlą się pozostawione w tym miejscu informacje od innych użytkowników aplikacji. Proces zwany geotaggingiem umożliwia użytkownikom stojącym na zewnątrz kina na dodanie recenzji obejrzanego przed chwilą filmu. Inne osoby będące później w tym miejscu mogą przed kupnem biletu przeczytać zostawioną recenzję, poprzez skierowanie telefonu w stronę kina. W przyszłości aplikacje tego typu pozwolą na pokrycie każdego obiektu widzialnego informacjami stworzonymi przez użytkowników.

Co dalej?

Rys. 4. Żyroskop MEMS firmy STMicroelectronics zawiera ruchome części służące do wyznaczania prędkości kątowej z wykorzystaniem efektu Coriolisa

Oczekuje się, że pod koniec 2011 roku oprócz akcelerometrów, magnetometrów (kompasów), systemów GPS, czujników zbliżeniowych oraz żyroskopów, wykorzystywanych do dokładnego pomiaru ruchu, wiele smartfonów będzie zawierać czujniki ciśnienia atmosferycznego do pomiaru wysokości. Wykorzystanie zbiorczych danych z akcelerometrów, żyroskopów, magnetometrów i czujników ciśnienia może umożliwić nawigację zliczeniową nawet wewnątrz budynków, niezbędną w wielu aplikacjach bazujących na lokalizacji.

Według MIG, nawigacja zliczeniowa przyczyni się do poprawy standardu życia poprzez skrócenie czasu na szukanie różnych rzeczy oraz uniemożliwi zgubienie się. Ponadto dla tych sensorów powstają również poważniejsze aplikacje, których celem może być ratowanie życia, a jest to i tak jedynie wierzchołek góry lodowej. Nowa generacja urządzeń MEMS będzie wykorzystywać zbiorcze dane z wielu sensorów.

Inercyjne jednostki pomiarowe (IMU) będą na pojedynczej płytce CMOS zawierały akcelerometr, żyroskop, magnetometr oraz czujnik ciśnienia atmosferycznego. 3-osiowy żyroskop pozwoli na precyzyjne utrzymanie kursu, 3-osiowy akcelerometr zmierzy ruch liniowy, a 3-osiowy magnetometr pokaże właściwą orientację użytkownika w terenie.

Czujnik ciśnienia zapewni "dziesiątą oś" poprzez pomiar wysokości, dzięki czemu możliwe będzie ustalenie lokalizacji użytkownika na konkretnym piętrze budynku. W ciągu pięciu lat Invensense chce sprzedawać 10-osiowe IMU znajdujące się na jednej płytce CMOS. Inni producenci półprzewodników również przygotowują zintegrowane IMU, dzięki umieszczenie kilku układów MEMS w jednym urządzeniu.

Według zapowiedzi, STMicroelectronics w ciągu 2 lat planuje stworzyć IMU w pojedynczym urządzeniu, jednak będzie on prawdopodobnie składał się z wielu oddzielnych układów MEMS. Dostawcy mają w planach również uniwersalne sensory combo, które mogłyby monitorować środowisko w globalnej sieci urządzeń z dostępem do Internetu.

STMicro pracuje nad środowiskowym sensorem w pojedynczym urządzeniu, który mierzyłby temperaturę, wilgotność, ciśnienie oraz potencjalnie zawierałby czujnik gazu. Czujniki gazu mają na celu wykrywanie szerokiego spektrum czynników chemicznych i biologicznych. Do urządzeń tego typu można zaliczyć analizatory bazujące na podczerwonych LED, na tyle tanie, by mogły znaleźć się w każdym telefonie.

Są to też precyzyjne laserowe układy spektroskopowe, które pozwolą smartfonom na ustalenie wszystkich substancji znajdujących się w powietrzu, a nawet drobnoustrojów przenoszonych drogą kropelkową od kaszlącej w pobliżu osoby. Według HP, usługi sensoryczne tego typu wykraczają ponad Internet i stanowią czwartą fazę rozwoju technologicznego, polegającą na łączeniu tradycyjnych źródeł ze strumieniowaniem danych z sensorów przenoszonych przez użytkowników.

Na przykład inteligentny termostat będzie mógł uzyskać dostęp do czujników temperatury telefonu komórkowego celem znalezienia gorących lub zimnych miejsc w budynku. Do wcześniejszych skoków technologicznych można zaliczyć komputery mainframe, komputery osobiste oraz przetwarzanie sieciowe, a obecnie mamy do czynienia z fazą integracji technik informacyjnych ze wszystkimi dziedzinami życia, której finalizacja potrwa ok. 20 lat.

Grzegorz Michałowski