Programmet WISENET leds från Uppsala Universitet. Bland annat har man utvecklat kroppscentrerade trådlösa nät för biomedicinska tillämpningqr, för järnvägsvagnar för att registrera vibrationer i lager, mäta partiklar i askmoln och inte minst vibrationer och spänning i rotorbladen i kompressorn i en jetmotor.

Sedan mitten av 2007 inleddes ett stort svenskt, 10-årigt forskningsprogram runt trådlösa sensornät. Uppsala universitet utsågs till ett ”VINN Excellence center for Wireless Sensor Networks” av Vinnova, som stöttar programmet med 7 MSEK per år. Årligen bidrar även Uppsala Universitet med 8 MSEK, industrin med 7 MSEK och andra bidragsgivare med 20 MSEK.
I  WISENET (Uppsala Center for Wireles Sensor Networks) deltar under 2009 – 2012 Uppsala Universitet, Communication Research Labs Sweden AB, FOI, Totalförsvarets forskningsinstitut, Imego AB, JonDeTech AB, Pricer AB, SenseAir AB, SICS, Swedish Institute of Computer Science AB, TermoSense AB, TNT-Elektronik AB, Trafikverket, Upwis AB, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, ÅAC Microtec AB, Uppsala Universitet och WiseNet Holding AB.
Partners som enbart deltog under WISENET, fas 1, är Silex Microelectronics AB, Hectronic AB och Triona AB.
Programmet leds från Ångströmlaboratoriet inom Uppsala Universitet. Verksamma i programmet är tio professorer, 20 studenter, 20 industriforskare och 10 studenter.
Programmet är uppdelat i tre delområden:
* Wireless Communication, vilket leds av Anders Rydberg och Anders Ahlen
* Sensorer och miljömässig effektförsörjning, som leds av Ilia Katardjiev och Klas Hjort
* Networking, vilket leds av Per Gunningberg och Bengt Ahlgren.

Modulbyggen
Ett av de aktiva företagen i WISENET är Upwis AB. Kjell Brunberg driver detta bolag som är helt inriktat på att utveckla teknik och produkter för trådlösa sensorsystem. Han har tidigare startat, byggt upp och sålt företaget Hectronic AB.
– Min utgångspunkt var att skapa en enkel standardlösning. men det har visat sig att det är inte genomförbart! I vissa fall handlar det i stället om extrem optimering. Lösningen blev att bygga ett modulsystem, berättar Kjell Brunberg.
Modulernas radiosystem utnyttjar de fria ISM-banden. 2,4 GHz är vanligast, men även 868 och 433 MHz förekommer. De lägre frekvenserna passar bättre i äldre fastigheter där väggarna dämpar radiofält i hög grad.

Projektet WISENET presenterades för Elektronik i Norden av Kjell Brunberg, Upwis AB, Mathias Grudén, doktorand vid Uppsala Universitet, Mats Magnell, vd för ÅAC Microtec AB, Magnus Jobs,  doktorander vid UU och Anders Rydberg, professor inom trådlösa system vid Uppsala Universitet.

Till en radio och kommunikationsmodul, som bygger på en Cortex ARM-processor, kopplas sensorer för fukt, temperatur, ljus eller ett gyro. Cortexkärnan körs med ett händelsestyrt energimedvetet operativsystem från SICS. För att få en energieffektiv dataöverföring används SICS IPV6-protokoll för ISM-banden på 868 MHz eller 2,4 GHz.
– Det finns en intressant koppling mellan trådlösa sensornät och internet, för att bygga stora system. Vi talar nu snarare om ”Internet of things” än om machine-to-machine communication.

”Energy harvesting”
Att ”skörda” energi från omgivningen för att driva en viss applikation är en stor utvecklingstrend inom såväl forskarvärlden som industrin. Små mängder av energi, men tillräckligt stotra för att kunna driva ett mindre system av exempelvis en mikroprocessor, sensor och sändare/mottagare, kan utvinnas ur vibrationer, tryckförändringar (med ett piezoelektriskt element) genom solceller, induktivt från magnetiska växelfält eller bränsleceller i mikroformat. Värmeskillnader kan också omvandlas för att ge likström i ett Seebeckelement (Ett peltierelement med omvänd verkan).

På de främre rotorbladen fästs trådlösa sensorer.  Volvo Aero tänker använda tekniken för att mäta tryck, töjning och temperatur i motorerna. (Illustration: Volvo Aero AB)

Energi kan lagras i mikrobatterier och kondensatorer. För effektomvandling skulle man kunna utnyttja magnetiska fält på ett chip.

Hett projekt
Ett av de intressantaste projekten inom WISENET-programmet är trådlösa sensorer för svåra miljöer. Vad sägs om att placera ut sensorer på rotorbladen i en jetmotor och att trådlöst överföra mätdata till en gateway? Volvo Aero vill använda tekniken vid försök med jetmotorer, i projektet WISE-JET, för att mäta tryck, töjning och temperatur i motorerna.
– Ett dilemma med dagens metoder är att det kan ta flera månader att åstadkomma en upställning för test, säger Mats Magnell, vd för ÅAC Microtech AB. Den tiden skall vi kunna ta ned till 4-5 dagar.
För att möjliggöra detta måse man utveckla ett byggsätt som ger tillräckligt små och lätta konstruktioner. ÅAC Microtec AB, som har stor erfarenhet av elektronik för rymdbruk, utvecklar konstruktionerna på basis av sina kunskaper om byggsätt med nakna chip på LTCC-substrat och TSV (Though Silicon Via), en teknik som licensieras till Silex Microsystems AB.

Under slutet av 2011 provades ett system för övervakning av järnvägsvagnar. Trådlösa sensorer på varje lagerbox, för vibrationer och lagertemperatur, sände då vibrationsdata via radio på 2,45 GHz till en gateway.

Förutom att åstadkomma en så liten och lätt sensor/processor/sändare/antenn som möjlig innebär den höga temperatur problem. Idag är det inte kiselkretsarna som begränsar utan lödfogarna. Det är svårt att åstadkomma lödningar som tål mer än 125°C.
Radioöverföringen från sensorn på rotorn skapar andra problem: Antennen sitter ju på ett roterande objekt. Det skapar inte bara ett roterande fält utan också mängder av reflekterade utbredningsvägar. De komplexa geometrierna gör det svårt att skapa modeller
– För att klara roterande polarisationen, reflexioner och det förändrande strålningsdiagrammet, vilka sammantaget orsakar svår fädning, tillämpar vi diversitet, säger prof Anders Rydberg.
Två doktorander arbetar med att utveckla radiosystemet: Magnus Jobs och Mathias Grudén.
De har bland annat simulerat och byggt upp en diversity-radiomodul med två pachantenner och med FPGA för signalbehandlingen.
Under våren kommer Volvo Aero att provköra det inom WISE-JET utvecklade trådlösa sensorsystemet.

Järnvägsövervakning
En känslig detalj i järnvägsvagnar är hjulaxlarnas lagerboxar. Defekta sådana kan orsaka varmgång med urspårning som allvarligaste konsekvens, och förstörd infrastruktur. Därför finns det en önskan om att kontinuerligt kunna övervaka lagerboxarna. Även sk hjulplattor är önskvärda att upptäcka i tid.

Fyra av de moduler som utvecklats av Upwis AB användes i järnvägsprojektet för att skapa en gateway mellan 2,4 GHz trådlösa sensorer på lagerboxarna och RFID-länk på 868 MHz.

2008 gjordes en inledande testkörning i Sverige och delar av Danmark. Vibrationssensorn på lagerboxen var där elektriskt förbunden med en gateway som förmedlar mätdata till en RFID-läsare på 868 MHz (enligt ISO 18999-6C.
Under slutet av 2011 provades ett system med trådlös överföring.    Trådlös sensorer på varje lagerbox, för vibrationer och lagertemperatur, sände då vibrationsdata via radio på 2,45 GHz över nämnda gateway.
Denna demonstrationsenhet var relativt skrymmande: ca två kubikdecimeter.
Intentionen är att vidareutveckla tekniken så att den får plats i huvudet på en bult! Med dessa monterade i alla järvägsboogier blir det möjligt att via RFID-läsare automatiskt övervaka ett helt järnvägsnät. I bulten skall inte bara finnas sensor och radio utan även en energikälla som bygger på att omvandla vibrationer till el.
– Ett samarbete pågår nu för att kunna miniaturisera lösningen med teknologi från ÅAC Microtec, säger Anders Rydberg. Många av beståndsdelarna kan köpas i form av nakna chip. den svåra delen är att skapa en antenn.

Kroppscentriska nät
Det finns en trend att gå från datorcentriska sensornät till sensornät i anslutning till människokroppen.

Två patch-antenner används för diversity.

Kroppsnära nät kan omfatta exempelvis i synimplantat, vid elektrogenterapi, i smarta piller, nervstimulering och telemetri till och från exempelvis en pacemaker. De kan också röra sig om trådlösa sensorer för medicinering eller för övervakning av hjärtfrekvens i vid idrottsträning.
I försvarssammanhang kan soldater övervakas för att kartlägga deras stress, och då inte bara mäta puls utan även genomföra EKG.
I sammanhang som dessa är det mycket önskvärt att hålla energiförbrukningen så låg som möjligt.
Gunnar Lilliesköld

Filed under: Mikrovag