Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 6 minutes
Draadloze sensornetwerken kunnen helpen om de gesteldheid te monitoren van kritische infrastructurele objecten zoals bruggen en tunnels. De nodes moeten dan wel levenslang doen met één energiecel. Binnen het Europese Genesi-project werkt de UT momenteel met bedrijven en andere onderzoeksinstellingen samen om die barrière weg te nemen.
Bij de controle van de fysieke gesteldheid van gebouwen komt vandaag de dag maar weinig techniek te pas. Bouwprofessionals lopen erdoorheen, doen een paar metingen en kijken of ze scheurtjes zien. Omdat het mensenwerk is, is er een grote kans op fouten. In het verleden zijn dergelijke methodes ook meermaals onvoldoende effectief gebleken. Lichte naschokken na de aardbeving in L‘Aquila in 2009 werden bijvoorbeeld niet opgemerkt, waardoor gebouwen verzwakt raakten. Het aanbrengen van sensoren in bouwstellingen kan een oplossing zijn voor het probleem. Met meetgegevens kan dan worden gekeken of er opvallend veel druk staat op een gebouw en kan de constructie tijdig worden geïnspecteerd.
De huidige sensortechniek is over het algemeen echter niet geschikt voor deze taak. De gevraagde precisie maakt de sensoren erg duur, waardoor ze niet in groten getale worden ingezet. Bijgevolg liggen de meetpunten vaak ver uit elkaar en wordt een groot deel van de constructie niet gemonitord. Bovendien verbruiken de nodes betrekkelijk veel stroom. Sensorsystemen worden daarom maar korte tijd ingezet en alleen gebruikt bij een vermoeden dat er iets aan de hand is.
Druk- en trillingsmetingen
Na de aardbeving in L‘Aquila is een aantal universiteiten het Genesi-project gestart (Green Sensor Networks for Structural Monitoring). Doel is een nieuwe generatie draadloze sensorsystemen te ontwikkelen die beter geschikt zijn om de gebouwgesteldheid te monitoren. De nadruk ligt daarbij op bouwwerken die erg lang mee moeten gaan, zoals bruggen en tunnels.
De benadering van de Genesi-onderzoekers verschilt sterk van de bestaande oplossingen voor bouwtoezicht. In plaats van zeer nauwkeurige, hoogwaardige sensoren te gebruiken die spaarzaam en kortstondig worden ingezet, willen ze met goedkope draadloze sensoren een dicht netwerk van meetpunten realiseren. Zowel tijdens de bouw als gedurende het verdere leven van een constructie houdt dit systeem op vele plekken nauwgezet een oogje in het zeil. En als er dan iets mis lijkt te zijn, slaat het alarm.
De Universiteit Twente is een van de deelnemers aan Genesi. Vanuit Enschede is Nirvana Meratnia betrokken bij het project. ’We willen een oplossing maken die we in allerlei constructies kunnen toepassen, die goedkoop is zodat we er veel in een gebouw kunnen stoppen en die een bijzonder lage energieconsumptie heeft zodat de sensoren tientallen jaren meegaan‘, aldus de onderzoekster die is aangesloten bij de groep Pervasive Systems van de Informatica-faculteit.
De projectpartners bestuderen verschillende manieren om de sensoren energiezuinig te maken. Zo werken ontwikkelaars van STMicroelectronics aan een kleine brandstofcel op basis van waterstof. Dergelijke batterijen zijn al in gebruik in de auto-industrie. De universiteiten van Bologna en Tyndall kijken naar energy harvesting, onder meer via thermische energieopwekking en zonnecellen. Het idee is om te komen tot een platform waarbij sensornodes met verschillende modules kunnen worden uitgerust naargelang de omstandigheden waarin ze moeten functioneren.
In Enschede houdt Meratnia zich vooral bezig met de verwerking van de data door de sensornodes. Om toezicht te houden op de gesteldheid van een bouwwerk gebruiken ze vier soorten gegevens: aan de hand van de luchtvochtigheid en de temperatuur bewaken ze de directe omgeving en druk- en trillingsmetingen zeggen vooral iets over de omstandigheden waarmee het gebouw te maken heeft. Ook bij de verwerking van de gegevens speelt energiebesparing een belangrijke rol.
Lekkende tunnelwand
Een manier om energie te besparen, is door het dataverkeer te beperken. De huidige point-to-pointnetwerken sturen alle verzamelde gegevens door naar een centraal punt. ’In Genesi willen we bereiken dat de sensoren alleen data doorgeven wanneer ze een event detecteren‘, stelt Meratnia. ’Het is bekend dat datatransmissie een sensor veel meer energie kost dan gegevensverzameling en -verwerking. Wij stoppen daarom meer intelligentie in de sensoren zelf.‘
De nodes moeten op eigen houtje kunnen bepalen of hun metingen uitzonderlijk zijn of niet. Ze kunnen die afweging maken door te kijken in hoeverre de data afwijken van een verwacht ontwikkelingspatroon. ’We weten dat er een correlatie is tussen luchtvochtigheid en temperatuur‘, licht Meratnia toe. ’Ontwikkelt de temperatuur zich afwijkend van het normale patroon, dan kan de node aan de hand van de luchtvochtigheid bepalen of het hier inderdaad om een verandering in de klimatologische omstandigheden gaat en niet om een foutieve meting.‘
De sensoren in het Genesi-netwerk kunnen daarbij communiceren met en gegevens opvragen bij elkaar, gaat de UT-onderzoekster verder. ’De ene sensor kan een geregistreerde temperatuurstijging zo verifiëren bij de rest. Pas als ook die iets uitzonderlijks meten, zal het systeem aan het hoofdstation rapporteren. Daar kan dan worden beslist of de uitzonderlijke metingen de moeite van het controleren ter plaatse waard zijn.‘
Om specifieke gebeurtenissen te herkennen, kijken ze in Enschede ook naar een vijfde type meetgegevens: geluid. ’Daar kunnen we veel informatie uit halen‘, zegt Meratnia. ’Een scheur in een gebouw of een lek in een tunnelwand moet bijvoorbeeld te horen zijn. Geluid wordt bovendien gestreamd, terwijl temperatuur en druk worden gemeten op losse tijdstippen. Met geluid kunnen we duidelijk een moment aangeven.‘
Hoe geluid precies kan worden geanalyseerd, is nog onderwerp van onderzoek. Interferentie, bijvoorbeeld van een metro die langsrijdt of van mensen die langslopen, is in ieder geval relatief gemakkelijk uit de data te filteren. Het is echter nog niet precies bekend welk geluid een scheurend gebouw of een lekkende tunnelwand precies maakt. De eerste sensoren zullen daarom gebaseerd zijn op de bestaande meetgegevens.
Radiotriggermechanisme
Ook berichten doorgeven door het netwerk doen de sensornodes op intelligente wijze. Om energie te besparen, hebben ze een beperkt zendbereik. Wanneer een node informatie buiten zijn bereik wil opvragen, zal hij via andere nodes moeten gaan. Daartoe houden de knooppunten in een Genesi-netwerk van hun naaste buren bij hoe goed de verbinding is.
’Bij het leggen van een verbinding tussen twee nodes gaan er twee berichten over en weer: het verzoek van de zender en de bevestiging van de ontvanger‘, legt Meratnia uit. ’In een omgeving met veel ruis, bijvoorbeeld onder de grond, komt een bericht echter vaak niet aan en wordt het een aantal keer verstuurd. We onderzoeken nu de mogelijkheid om een node voor iedere sensor in zijn directe omgeving bij te laten houden hoe vaak hij een bericht minimaal moet verzenden om er zeker van te zijn dat het is aangekomen, en dat zonder te wachten op een reactie. Zo weet iedere node van zijn buren hoe goed de verbinding is. Op basis hiervan kan hij keuzes maken: bij hoge urgentie de beste verbinding en anders een minder goed pad.‘
Daarnaast pakt Genesi de stand-bymodus van een sensornode aan om energie te besparen. Normaal werkt een node met een duty cycle: een deel van de tijd verzamelt en analyseert hij data en de rest van de tijd is hij in ruste. In die slaapstand verbruikt hij echter ook energie. ’Onze sensornodes gaan tijdens de rustperiode echt uit. Ze kunnen door hun naaste buren worden gewekt met een radiotriggermechanisme.‘ Het basisconcept is niet nieuw, maar er kleven volgens Meratnia nog wel vele fundamentele problemen aan. Ook is het niet eerder toegepast voor sensornetwerken.
Bloedonderzoeken
De Genesi-onderzoeken zijn grotendeels afgerond. Dit jaar zal er vooral aandacht zijn voor het integreren van alle ontwikkelingen in één platform. Hoeveel energie al die technieken samen consumeren, is nog niet bekend. ’De ideale situatie zou natuurlijk zijn dat de nodes net zo lang meegaan als de brug of tunnel waarin ze zijn ingebouwd. Ze gaan in ieder geval een stuk langer mee dan nu het geval is.‘ Daarnaast verwacht Meratnia dat een dicht netwerk van goedkope sensoren minder kost dan de huidige arbeidsintensieve systemen.
Belangrijk zullen ook de ervaringen zijn van eindgebruikers: het Italiaanse bouwbedrijf Treesse, specialist in de aanleg van metro‘s, en de Zwitserse instrumentatiefirma Solexperts gaan proefdraaien met het sensorsysteem. ’Een systeem dat zelf keuzes maakt, is voor velen een hele overschakeling, zo bleek tijdens de gebruikersconferentie die we vorig jaar maart op Schiphol hebben georganiseerd. Onze technieken reduceren de grote hoeveelheid data die hun experts moeten analyseren en ze geven aan welke momenten ze verder moeten onderzoeken. Dat scheelt tijd en levert minder fouten op. In mijn beleving moet je het vergelijken met een dokter die bloedonderzoeken uitvoert voor zijn patiënten. Die krijgt ook niet van iedereen alle meetgegevens, maar alleen de gegevens die belangrijk zouden kunnen zijn.‘
