Langlivede ting til tingenes internet

Selv de mest sparsommelige blandt os opgraderer fra tid til anden vores mobiltelefoner og bærbare computere. De er forholdsvis nemme at udskifte.

Dette gælder ikke internetforbundne sensorer, som i stigende grad installeres i bygninger og andre konstruktioner. Små overvågningsenheder på svært tilgængelige steder indsamler og transmitterer løbende data – fra temperatur og luftfugtighed i kontorbygninger til tryk på broer.

Sensorer udgør en væsentlig del af et bredere netværk, som forskere kalder “tingenes internet”, som omfatter milliarder af forbundne produkter, der gør vores biler, hjem, virksomheder og byer mere effektive. Disse netværk lover enorme samfundsmæssige fordele, såsom medicinske sensorer, der hjælper læger med at tage sig bedre af patienter, og miljøsensorer, der hjælper folk med at spare energi.

Men et stort spørgsmål er at holde teknologien tilbage fra at nå sit potentiale: hvordan får du alle de små computere til at fungere over tid?

“Internet of Things-enheder styrer ofte infrastruktur, som vi forventer vil holde årtier eller århundreder. Vi udskifter ikke alle vores bygninger hvert femte år,” sagde han. Brad Campbellassisterende professor i datalogi, elektroteknik og datalogi ved School of Engineering and Applied Science ved University of Virginia.

For sin forskning modtog han en femårig $700.000 National Science Foundation Award.Genanvendelige enheder til et grønnere internet af tingene‘ for at besvare spørgsmålet.

CAREER-programmet, en af ​​NSFs mest prestigefyldte priser til nye undervisere, anerkender modtagerens potentiale for lederskab inden for forskning og uddannelse. Campbell er medlem af UVA Engineering. Link LabTværfagligt forskningscenter for cyber-fysiske systemer, hvor han er et af flere fakultetsmedlemmer, der laver banebrydende forskning i, hvordan mennesker kan bruge forbundne systemer til at interagere med deres omgivelser.

Overvej et smart belysningssystem, der tænder og slukker lys i en bygning baseret på, hvor folk bevæger sig indenfor. Der kan bruges op til 30.000 sensorer i én bygning. At drage fuld fordel af de gode ting, tilsluttede enheder kan gøre, betyder, at enheder hurtigt kan løbe op i billioner. Der er ingen praktisk måde at opdatere eller erstatte dem alle med samme frekvens som personlige enheder.

Forestil dig bare at prøve at beholde batterierne i sensorerne – en af ​​de største vedligeholdelseshoveder, og Campbell har en masse erfaring tilbage til sine dage med forskning til sin ph.d. i datalogi ved University of Michigan.

“For ikke at nævne, hvad laver vi med alle disse gamle enheder, der fungerede ret godt, men som måske bare ikke fulgte med tiden? Nu er de dybest set ved at blive elektronisk affald,” sagde Campbell og tilføjede, at i modsætning til større computere og husholdningsapparater er små elektroniske enheder svære at genbruge.

“Vi har brug for noget, der vil give os mulighed for at bruge de enheder, der allerede er installeret, og holde dem nyttige i årtier fremover,” sagde Campbell. ”Men det er svært, fordi teknologiens bue ikke går baglæns. Vi vil ikke have ting, der er mindre funktionelle, mindre sikre eller mindre nyttige. Vi vil altid have mere, mere, mere.”

Campbell og hans team, herunder en ph.d. Studerende Nurani Saoda og Nabil Nasir er ved at udvikle en ny klasse af sensorer og hvad de kalder et “økosystem”, hvori sensorerne vil fungere. Med “økosystem” mener Campbell den software, teamet udvikler til at køre på eksisterende kommercielle hardwareplatforme såsom Raspberry Pi. Målet er, at sensorer skal kunne tilpasse sig, hvad fremtiden bringer.

Den første forhindring er at drive sensorerne uden ledninger eller batterier og uden at vide, hvad der er omkring dem om 20 år.

Det er forskere allerede ved, hvordan man designer sensorer for at få nok strøm fra nærliggende kilder, såsom solen, indendørs belysning eller vibrationer, til at arbejde. Men disse kilder er der måske ikke altid, da bygningens beboere og anvendelser ændrer sig.

“En del af dette projekt er et nyt energi-høstende strømforsyningsdesign, der kan indkapsle denne kompleksitet, så det kan styre, hvad der sker, når energispecifikationer og behov ændrer sig,” sagde Noorani, der leder strømforsyningen. “Dette frigør applikationslagsprocessoren til at fokusere på opdagelsesopgaven, hvilket forenkler udviklingen og skaber mere adaptive enheder.”

Den anden udfordring er at tilføje software til gamle netværksenheder for at udføre nye opgaver uden at gå i stykker med eksisterende applikationer.

“I dag er status quo, at du bare opdaterer alt,” sagde Campbell. “Du erstatter al den kode, der kører på dine enheder, og hvis noget går galt, er der måske en måde at vende tilbage til en ældre version, eller hvis der er en fejl, kan du forhåbentlig opdatere den igen.”

Jo ældre hardwaren bliver, jo mere skræmmende bliver opgraderingerne – indtil operatører er tvunget til at ignorere eventuelle nye sikkerhedsproblemer og fiksere enhedens nuværende drift.

For at løse dette problem arbejder Campbells team på en ny softwarearkitektur for at gøre softwarekonfigurationen af ​​enheder modulær, hvilket i det væsentlige isolerer softwarekomponenter fra hinanden. Komponenter kan derefter opdateres individuelt uden at omprogrammere hele enheden.

Denne modularitet af softwaren er en af ​​metoderne udviklet som en del af et projekt, som Campbell vil inkorporere i kandidat- og bachelorkurser til uddannelsesdelen af ​​CAREER Award. Det er også på udkig efter kandidatstuderende fra dem historisk undervurderet inden for ingeniør- og førsteårsstuderende til at samarbejde om et projekt.

Målet er at uddanne fundamentalt uddannede ingeniører, der forstår sammenhængen mellem tingenes internet og dets tværfaglige anvendelser, såvel som de etiske implikationer for alle interessenter.

Kommandoen vil fjerne en anden begrænsning på den funktionelle levetid for små tilsluttede enheder: “beregningsmæssig forældelse”. Da hardwareforbedringer gør det muligt at øge ydeevnen og mere kompleks software til at køre på den samme mængde strøm, er computerkraften på ældre enheder faldende sammenlignet med de nye krav.

Campbell gjorde opmærksom på, hvordan trådløs teknologi prioriterer bagudkompatibilitet. For eksempel kan en moderne Bluetooth 5-enhed stadig parres med en Bluetooth-enhed fra midten af ​​2000’erne.

“Dette tyder på, at selvom nutidens mikrocontrollere måske ikke er nok til morgendagens software, vil dagens enheder være i stand til at kommunikere i årtier fremover,” skrev Campbell i sit CAREER Award-forslag.

Denne indsigt førte til ideen om at aflaste opgaver, der er for komplekse til den ældre sensor, til den nærmeste gateway-hub, der er i stand til at udføre jobbet. Fordi der vil være langt færre gateways – omkring fem for hver 300 sensorer – kan de opgraderes eller udskiftes, efterhånden som teknologien udvikler sig.

Det er som at bruge en 2007 iPhone i 2027, med al den hastighed og funktionalitet som den nyeste model.

Nasir udvikler gateway-softwaren til at understøtte sensorerne.

“Dybest set er det, som om vi har den nyeste hardware installeret til selve enhederne, men uden faktisk at erstatte et stort antal sensorer,” sagde Nasir.

Det er vigtigt for Campbell at bemærke, at fremtidige applikationsudviklere, der ønsker at tilføje ny funktionalitet til sensorer, aldrig behøvede at tænke eller endda vide om transaktionen mellem sensorerne og gatewayen. Han ønsker at fjerne barrierer, der forhindrer beslutningstagere i alle sektorer af samfundet i at maksimere fordelene ved tingenes internet.

“Jeg tror, ​​det er vigtigt, at disse enheder ikke går ned ad smartphone-stien, hvor vi konstant udskifter dem,” sagde Campbell. ”Det er dog også vigtigt at levere mere effektivt udstyr, mere effektiv bygningsforvaltning og mere effektiv infrastruktur.

“Vi er nødt til at finde måder til ikke kun at aktivere individuelle teknologiske elementer, komponenter eller enheder selv, men også et skalerbart større økosystem,” sagde han. “Det er det, der førte til ideen om genanvendelige enheder.”