Перспективы развития интеллектуальных сенсоров. Заключительные замечания

Оборудованное такими системами сенсоров жилище принято называть " умным домом " (англ. Smart Home, рис 28.5).

Управлять "умным" домом можно при помощи сенсорной панели. Используя высвечиваемые на ней меню, Вы легкими касаниями к соответствующим "клавишам" сможете сами создавать сценарий вашего уюта и комфорта.

28.1.3. Интеллектуальный транспорт

Разумно подобранные системы интеллектуальных сенсоров позволят повысить эффективность функционирования и комфортность не только жилищ людей, но всех других сложных устройств: установок, оборудования, производственных, медицинских, оздоровительных, развлекательных и спортивных комплексов и т.д. Системы интеллектуальных сенсоров являются основой для создания умных рoботов по уходу за детьми, инвалидами, домашними животными и растениями, для выполнения функций личного секретаря, повара, уборщика и т.п.

В качестве примера остановимся кратко на системе сенсоров, необходимых для реализации т.н. " интеллектуального транспорта " [, , , ]. Речь идет не только об " интеллектуальных транспортных средствах ", но и об " интеллектуальных дорогах ", " интеллектуальных транспортных системах " в больших городах и регионах, " интеллектуальных системах доставки грузов ".

Ещё в 1997 г. прессе был представлен экспериментальный автомобиль "CyCab", разработанный совместно компаниями EDF, RATP и Andruet S.A. (США). Благодаря компьютерной системе управления, он может управляться не только водителем с помощью джойстика, но и работать полностью автоматически в различных режимах (рис 28.6).

"CyCab" – это двухместный электромобиль массой 300 кг и размерами в плане 1,9x1,2 м, имеющий по одному электромотору мощностью 1 кВт на каждое колесо, развивающий скорость до 30 км/час и обеспечивающий дальность пробега 40 км без подзарядки.

Кроме сенсоров, указанных на рис 28.6, в состав системы сенсоров входят датчики тока через каждый электромотор, крутящих моментов, моментов сил сопротивления, действующих на каждое колесо, скорости вращения. Могут использоваться также приемник сообщений о ситуациях на дорогах, сенсор координат GPS, навигатор, сенсоры давления в шинах и др.

В электромобиле реализованы две технологии управления: ручного и автоматического. В ручном режиме пассажир ведет автомобиль с помощью ручки управления 2 (джойстика) и сенсорного экрана. Джойстик соединен с компьютером, который непосредственно управляет движением, обеспечивая его безопасность. Например, он автоматически ограничивает скорость на поворотах и в других опасных местах. Для управления не требуется специальных навыков, электромобилем может пользоваться каждый. Через сенсорный экран можно узнать свое местоположение, скорость движения, пройденную дистанцию, еще возможную дальность пробега; можно установить автоматический режим работы электромобиля, связаться со службой поддержки и т.д. Также можно реализовать и другие режимы автономного движения (например, радиоуправление или движение по указателям). Этот электромобиль был разработан с учетом всех требований, которым должен удовлетворять общественный транспорт массового пользования: экономичность, небольшие размеры, надежность, простота управления и обслуживания.

Уже доказана возможность создания на основе этого автомобиля в ряде городов эффективной транспортной системы с целью уменьшить количество личных автомобилей. Множество таких электромобилей, своего рода такси без шофера, доступно всем пользователям с помощью электронной кредитной карты. Такое "такси" можно "взять" на стоянке или вызвать через Интернет. Тогда оно само подъедет к указанному клиентом месту. Когда клиент освобождает "такси", электромобиль сам отъезжает к ближайшему месту парковки и подзаряжает аккумуляторы. Такой вид транспорта удобен для пользования, создает мало шума, не загрязняет атмосферу, занимает мало места и экономичен.

В настоящее время ведутся разработки и других " интеллектуальных транспортных средств " – разнообразных автоматических систем управления автодорожными, воздушными, морскими, речными, рельсовыми транспортными средствами. Поставлена цель, чтобы они даже при воздействии случайных факторов (нештатные ситуации, отказы или сбои компонент) были способны функционировать столь же "разумно", как и опытный человек-оператор, и даже надежней. Возможность этого обеспечивается соответствующими системами интеллектуальных сенсоров.

Под " интеллектуальной дорогой " подразумевают транспортный путь (автодорогу, железнодорожный или трамвайный путь, улицу города, судоплавную реку, ...), оборудованный системой интеллектуальных сенсоров, которая позволяет собирать достаточно полную информацию о состоянии пути и его загруженности транспортом, информировать об этом водителей и службы пути и на этой основе оптимизировать движение, повышать его безопасность.

Наиболее известными интеллектуальными сенсорами этой системы являются автоматические видеокамеры с регистрацией и определением скорости движения. Как только такой интеллектуальный сенсор фиксирует превышение скорости, он передает соответствующую видеозапись в центральную диспетчерскую, и нарушителю высылается квитанция на оплату штрафа. Если нарушение совершено повторно, то принимаются и более строгие предусмотренные законом меры. Практика показала, что на оборудованных такими сенсорами дорогах число "лихачей" и фактов превышения скорости сокращается на порядок.

На основе видеокамеры созданы также интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей, находящихся в поле зрения камеры. Такой сенсор фиксирует и сохраняет распознанный номер и время регистрации в базе данных вместе с изображением транспортного средства и кадром с номерным знаком. Формируется база всех транспортных средств, прошедших через зону контроля, с возможностью добавления текстового комментария к каждому распознанному номеру. Такой сенсор может также сравнивать номера автомобилей с перечнем номеров автомобилей, находящихся в розыске. В случае совпадения немедленно включается его видеосъемка и отсылается сообщение в соответствующие органы. Подобные сенсоры уже установлены, например, на въездах в центр Лондона. По зафиксированным сенсором номерам частных автомобилей в базе данных отыскивается адрес владельца. И ему автоматически высылается счет на оплату за въезд в центральную часть города.

Следующим является интеллектуальный сенсор для контроля характеристик транспортных потоков. Он подсчитывает число проезжающих автомобилей, измеряет их среднюю скорость, рассчитывает интенсивность движения на заданном участке. Может определять типы транспортных средств, составлять статистические данные за определенный период времени (час, сутки), автоматически фиксировать факты ДТП, автомобильных пробок, замедлений движения и т.д.

" Интеллектуальные транспортные системы " – это системы автоматического регулирования транспортного движения, которые используют данные системы описанных выше сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, они соответствующим образом оптимизируют работу светофоров, сообщают по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляют регулировщиков в наиболее напряженные участки. На наиболее напряженных перекрестках устанавливают web-видеокамеры, которые непрерывно транслируют информацию о транспортной обстановке в Интернет. Водители получают возможность лично увидеть обстановку на соответствующем перекрестке и своевременно оптимизировать маршрут своего движения.

Накапливаемая в интеллектуальных транспортных системах статистика помогает объективно определить, куда в первую очередь надо вкладывать средства, выделяемые на совершенствование инфраструктуры дорог.

28.1.4. Сенсорные сети

Наличие микрокомпьютера в составе интеллектуальных сенсоров и создание миниатюрных узлов беспроводного радиоинтерфейса типа Bluetooth, описанных в ) можно разместить на контролируемой территории, и они сами наладят между собой связь, сформируют беспроводную сеть и станут передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации [, ]. Объединенные в сеть сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: влажность, давление, движение, освещенность, состав атмосферы (воды), температуру и т.д.

Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию "по цепочке" – от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Даже если какой-то сенсор выходит из строя, в сети тут же находятся другие пути передачи информации.

Тысячи дешевых сенсоров в поле, настроенные на контроль состава и увлажнения почвы, в зависимости от меняющихся условий будут автоматически регулировать искусственное орошение и внесение удобрений. Тысячи маленьких автономных сенсоров, разбросанных по всей территории биосферного заповедника, будут автоматически собирать и передавать информацию о всех важных событиях и изменениях, которые происходят на его границах и на всей территории. Они позволят значительно надежнее беречь, охранять уникальную флору и фауну. Тысячи сенсоров, разбросанных в верховьях рек, позволят своевременно узнавать об угрозе наводнений. Миллионы интеллектуальных сенсоров, свободно плавающих в океане, обеспечат мониторинг за процессами, происходящими на его огромных акваториях. Позволят своевременно обнаруживать зарождение штормов и цунами, изменения течений, подводные землетрясения, извержения подводных вулканов.

Некоторые футурологи считают, что сенсорные сети – именно тот элемент, который позволит Интернету выйти на следующий, качественно новый, этап своего развития. Ведь сенсорные сети могут быть подключены к Интернету, а каждый из миллиардов сенсоров может получить IP-адрес. Сотни миллиардов сенсоров, встроенных буквально во все предметы, от деревьев в парке до детских кроваток, смогут реагировать на окружающую среду и контактировать друг с другом беспроводным образом, решая много полезных задач. Это и неусыпный контроль за состоянием окружающей среды, наблюдение и уход за детьми, престарелыми, больными людьми, за животными, биологический и медицинский мониторинг, прогноз погоды, контроль вулканической и сейсмической активности. Это и сквозной мониторинг транспортных магистралей, нефте- и газопроводов, трасс электро- и теплоснабжения, решение антитеррористических задач и т.д.

28.2. Заключительные замечания

Как мы уже отмечали, интеллектуальные сенсоры соединяют реальный материальный мир, в котором живут и действуют люди, функционируют автоматизированное оборудование и рoботы, с внутренним, ментальным "миром" людей, автоматов, рoботов. Для выживания и успешного функционирования разумных систем в далеко не всегда благоприятном и предсказуемом реальном мире интеллектуальные сенсоры должны быть надежным связующим звеном, в котором рождается адекватная, высококачественная информация.

Производство и выпуск интеллектуальных сенсоров – это новая перспективная, растущая отрасль промышленности, которая активизирует развитие всех других сфер человеческой деятельности, которая уже приносит и в скором времени принесет еще большую пользу людям. Поэтому мы уверены, что полученные Вами в данном курсе лекций знания окажутся не только интересными, но и полезными.

Насколько могли, насколько позволил объем книги, мы описали основные виды и этапы разработки интеллектуальных сенсоров, особенности их структуры, программирования, их типовые узлы, сделали ударение на важности учета специфики и нюансов той конкретной прикладной области, в которой будет применяться сенсор. Мы старались продемонстрировать также богатейшую палитру разнообразных хитроумных способов, с помощью которых можно достичь решения сложных задач в сенсорике.

Разработка интеллектуальных сенсоров включает в себя (1) хорошо обоснованный замысел; (2) кропотливую коллективную работу над использованием при построении сенсора современных высоких технологий и глубоких знаний в соответствующих областях науки и техники; (3) внимательную проработку всех деталей, всех режимов функционирования сенсора и технологии его применения; (4) тщательный анализ возможных помех, неисправностей и наилучших способов их устранения; (5) создание хорошо продуманных программ работы; (6) тщательное тестирование.

В одной книге трудно охватить все виды интеллектуальных сенсоров. Вне нашего рассмотрения остался ряд видов оптических сенсоров (интерферометрические, поляризационные и т.д.), рентгеновские, квантовые и некоторые другие сенсоры. Но мы, собственно, и не ставили задачу охватить абсолютно все виды интеллектуальных сенсоров. Главной нашей задачей было продемонстрировать, что интеллектуальные сенсоры уже уверенно вошли в нашу жизнь, раскрыть общие принципы их построения, подходы к разработке и проектированию. Чем дальше, тем большую роль будут играть эти сенсоры в нашей жизни. На их основе постепенно будет создаваться не просто благоприятная, но уже и интеллектуальная среда для жизни людей.

Наше рассмотрение подтвердило также условность и относительность всех подходов к классификации сенсоров, в том числе и принятого нами – информационного. Химики, например, любят выделять в отдельный класс ]. К этому классу они относят все сенсоры, предназначенные для исследования химического состава вещества, выявление наличия и определение концентраций важных химических соединений и химических элементов, для наблюдения за ходом химических реакций и измерения их констант. Такие же веские основания имеют и биологи, выделяя в отдельный класс биологические сенсоры, важной составной частью которых являются селективно чувствительные элементы биологического происхождения: ферменты, специфические белки, антитела, живые клетки или даже их комплексы – биорецепторы. Именно эти чувствительные элементы придают биологическим сенсорам беспрецедентную избирательность, точную нацеленность на объект наблюдения. Физическая природа первичных информационных сигналов под таким углом зрения становится второстепенной. Все другие составляющие сенсора рассматриваются лишь как "трансдьюсер" – преобразователь сигналов биологического селективно чувствительного элемента в любую другую, удобную для восприятия форму.

Но в этой книге мы старались показать, что каждое звено, каждая деталь в интеллектуальных сенсорах является одинаково важной, поскольку, как и в обычной механической цепи, свойства сенсора как целого определяет его самая слабая деталь! И для жизни, для использования сенсора важен не его классификационный признак, а весь комплекс свойств сенсора в их единстве.

Чем дальше, тем чаще интеллектуальные сенсоры становятся комбинированными и многофункциональными. В них для выполнения поставленных задач используются вместе, в комплексе, первичные сигналы разной физической природы. Многие из комбинированных сенсоров мы, собственно, уже рассматривали в данном цикле лекций. Это, например, интеллектуальные магнитокардиографы (лекция 12), в которых кроме первичных магнитных сигналов используются и первичные электрические сигналы (ЭКГ), и первичные механические сигналы перемещения чувствительных интерферометров с целью формирования пространственной динамической картины работы сердца. Это также мобильные телефоны (лекция 14), которые для выполнения своих функций должны воспринимать не только информационные радиосигналы, но и акустические сигналы голоса пользователя для кодирования и передачи его речи, механические сигналы кнопок управления, электрические сигналы от датчика напряжения на его батарее. Некоторые из них имеют и встроенный цифровой фотоаппарат, который воспринимает оптические сигналы, и встроенный трехосный акселерометр и т.п. Классификация такого рода сенсоров является еще более условной и субъективной. Она нужна в основном лишь для учебных целей, для облегчения усвоения соответствующих знаний и для организации подачи материалов об интеллектуальных сенсорах.

Краткие итоги

Техника интеллектуальных сенсоров развивается в направлениях совершенствования существующих и создания новых видов интеллектуальных сенсоров, в направлениях создания сенсорных систем и сенсорных сетей. На основе интеллектуальных сенсоров прогнозируется создание искусственных органов чувств человека. Они не только смогут заменить некоторые естественные органы чувств, которые у человека не функционируют, но и смогут предоставить человеку возможность непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено: радиацию, инфразвуки или ультразвуки, некоторые вещества "без вкуса и без запаха", состав своей внутренней среды (" внутреннее зрение ") и т.д.

Применение новейших микросистемных и нанотехнологий может привести к созданию интеллектуальных медицинских "микророботов". Имея микронные размеры, они будут вводиться в организм человека, двигаться там, реализуя новые методы контроля, исследования и лечения биологических систем человека.

Системы интеллектуальных сенсоров позволяют создавать умные рoботы для ухода за детьми, инвалидами, домашними животными и растениями, для выполнения функций личного секретаря, повара, уборщика и т.п. Разумно подобранные сенсорные системы позволят автоматизировать и повысить эффективность функционирования производственного и исследовательского оборудования, охранных систем, комфортность жилищ людей, медицинских, оздоровительных, развлекательных и спортивных комплексов.

Уже сейчас осознана перспективность т.н. " интеллектуальных зданий ", "умного дома", " интеллектуального транспорта ". С точки зрения сенсорики – это здания, дом, транспорт, снабженные продуманной, достаточно полной и надежной системой интеллектуальных сенсоров, позволяющей всесторонне контролировать функциональное состояние сложного объекта и на этой основе разумно управлять функционированием всех его важнейших систем жизнеобеспечения. Это позволяет значительно снизить потребление энергоресурсов и затраты на функционирование, увеличить пропускную способность и надёжность транспортных магистралей, повысить комфортность жилищ, офисов, транспортных средств.

Наличие микрокомпьютера в составе интеллектуальных сенсоров и создание миниатюрных узлов беспроводного интерфейса предоставляют возможность организации сложных беспроводных сенсорных сетей. Стремительное уменьшение размеров сенсоров вместе с их удешевлением и снижением энергопотребления приближает время прихода эпохи сенсорных сетей. Интеллектуальные сенсоры можно будет тогда разместить на обширной контролируемой территории, и они сами наладят между собой связь, сформируют беспроводную сеть и станут передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Объединенные в сеть сенсоры будут отслеживать состояние окружающей среды, предупреждать о зарождении штормов и цунами в океанах, об угрозе наводнений в долинах рек, о пробуждении вулканов, надежнее беречь уникальную флору и фауну в биосферных заповедниках и т.д.

Производство и выпуск интеллектуальных сенсоров – это новая перспективная, растущая отрасль промышленности, которая активизирует развитие всех других сфер человеческой деятельности, которая уже приносит и в скором времени принесет еще большую пользу людям.

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

Упражнения

Упражнение 27.1. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся перспектив создания новых видов интеллектуальных сенсоров.

Вариант 1. Расскажите о перспективах создания искусственных органов чувств человека, которые позволят человеку непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено. Приведите примеры.

Вариант 2. Что Вы можете рассказать о перспективах обретения людьми "внутреннего зрения"?

Вариант 3. Расскажите, что Вы знаете о перспективах создания интеллектуальных медицинских "микророботов".

Вариант 4. Расскажите вкратце о миниатюрных видеокамерах, заключённых в пилюле. Что они могут и какую пользу оказывают врачам в диагностике болезней?

Вариант 5. Что понимают под медицинскими "транспортными микророботами"?

Вариант 6. Расскажите, как функционирует пилюля-робот, помогающая выявить в желудочно-кишечном тракте места, подозрительные на рак.

Вариант 7. Что такое "респироцит" – один из ожидаемых инструментов будущей "наномедицины"?

Вариант 8. Расскажите, что такое "цифровой скальпель" и зачем он нужен.

Упражнение 27.2. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся направления создания сенсорных систем.

Вариант 1. Расскажите о наборе интеллектуальных сенсоров, необходимых для построения "интеллектуальных зданий".

Вариант 2. Назовите и расскажите об основных преимуществах "интеллектуального здания".

Вариант 3. Расскажите о наборе интеллектуальных сенсоров, необходимых для построения "умного дома".

Вариант 4. Расскажите вкратце, что Вы знаете об экспериментальном автомобиле "CyCab".

Вариант 5. Расскажите о системе "такси" из интеллектуальных электромобилей.

Вариант 6. Расскажите о наборе интеллектуальных сенсоров, необходимых для построения "интеллектуальной дороги".

Вариант 7. Как используют интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей?

Вариант 8. Что Вы знаете об "интеллектуальных транспортных системах"?

Упражнение 27.3. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся беспроводных сенсорных сетей.

Вариант 1. Какими свойствами должны обладать сенсоры, чтобы из них могли формироваться беспроводные сенсорные сети?

Вариант 2. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, разбросанных в акватории океана.

Вариант 3. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, разбросанных в верховьях рек.

Вариант 4. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, разбросанных на территории биосферного заповедника.

Вариант 5. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, разбросанных на ледниках Арктики.

Вариант 6. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, размещенных вдоль трасс нефте- и газопроводов.

Вариант 7. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, размещенных на полях и плантациях сельхозпредприятий.

Вариант 8. Расскажите о возможностях сенсорной сети из десятков тысяч сенсоров, размещенных на вершинах спящих вулканов.

Упражнение 27.4. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся комбинированных интеллектуальных сенсоров.

Вариант 1. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами GPS-приемник? GPS навигатор? Трекер? Дайте краткое обоснование.

Вариант 2. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами рыбопоисковые эхолоты? Дайте краткое обоснование.

Вариант 3. Являются ли комбинированными интеллектуальные сенсоры для УЗ исследований? Дайте краткое обоснование.

Вариант 4. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами цифровые фотоаппараты? Дайте краткое обоснование.

Вариант 5. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами радиолокаторы? Дайте краткое обоснование.

Вариант 6. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами мобильные телефоны? Дайте краткое обоснование.

Вариант 7. Являются ли комбинированными сенсорами интеллектуальные электрохимические глюкометры? Дайте краткое обоснование.

Вариант 8. Являются ли комбинированными интеллектуальными сенсорами хронофлуорометры? Дайте краткое обоснование.

Ответы

Ответы на вопросы

1. Основными направлениями развития техники интеллектуальных сенсоров являются: а) совершенствование существующих и создание новых видов интеллектуальных сенсоров; б) создание сенсорных систем; в) создание сенсорных сетей.

2. Искусственные органы чувств нужны, во-первых, для замены того естественного органа чувств, который по каким-то причинам у человека не функционирует, и, во-вторых, для получения возможности непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено, но требуется человеку по роду его деятельности. Например, ионизирующей радиации, присутствия в воздухе или воде некоторых веществ ("без вкуса и без запаха" для обычного человека).

3. "Внутреннее зрение" – это способность человека непосредственно ощущать некоторые важные параметры внутренней среды организма. Например, концентрацию глюкозы или холестерина в крови, своё артериальное давление и т.д.

4. "Наномедициной" называют будущие новые методы исследования, лечения и контроля биологических систем человека с применением интеллектуальных медицинских "микророботов", изготовленных с применением нанотехнологий.

5. Под "медицинскими микророботами" понимают интеллектуальные сенсоры микронных размеров, которые будут вводиться в организм человека, двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции: доставка лекарств, обследование, выявление очагов заболеваний, лечение.

6. "Интеллектуальное здание" – это здание, снабженное продуманной, достаточно полной системой сенсоров, позволяющей всесторонне контролировать функциональное состояние здания и на этой основе разумно управлять функционированием всех его важнейших систем жизнеобеспечения.

7. Выражение "умный дом" означает жилище, оборудованное системой сенсоров и иерархической системой управления, призванными обезопасить нашу жизнь, оптимизировать энерго- и ресурсопотребление, облегчить домашние заботы, создать нам всё больше удобств и комфорта.

8. "Видеодомофон" – это интеллектуальный сенсор, обеспечивающий двустороннюю, в том числе и визуальную связь между пультом, установленным на входе в здание, и хозяевами квартиры (офиса), а также автоматическое открывание входной двери по команде хозяина. Хозяева квартиры (офиса) могут не только переговариваться с посетителем, но и видеть его благодаря тому, что в пульт встроена миниатюрная видеокамера.

9. Под "интеллектуальным транспортным средством" понимают транспортное средство, оборудованное достаточно полной системой интеллектуальных сенсоров, обеспечивающей иерархическую систему автоматического управления, способную даже при воздействии случайных факторов (нештатные ситуации, отказы или сбои компонент) функционировать так же "разумно", как и опытный человек-оператор, и даже надежней.

10. "Интеллектуальная дорога" означает транспортный путь (автодорогу, железнодорожный или трамвайный путь, улицу города, судоплавную реку, ...), оборудованный системой интеллектуальных сенсоров, которая позволяет собирать достаточно полную информацию о состоянии пути и его загруженности транспортом, информировать об этом водителей и службы пути и на этой основе оптимизировать движение, повышать его безопасность.

11. Под "интеллектуальной транспортной системой" (ИТС) понимают систему автоматического регулирования транспортного движения, которая используют данные интеллектуальных сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, ИТС соответствующим образом оптимизирует работу светофоров, сообщает по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляет регулировщиков в наиболее напряженные участки. Она также рассылает счета нарушителям правил движения на оплату штрафа и представления на применение других санкций, предусмотренных законами.

12. "Беспроводная сенсорная сеть" – это тысячи миниатюрных интеллектуальных сенсоров с возможностями беспроводной радиосвязи, которые размещаются на контролируемой территории. Они сами налаживают между собой связь, формируют беспроводную сеть и начинают передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Объединенные в сеть сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды (влажность, давление, движение, освещенность, состав, температуру), выявлять наличие аналитов, вибраций, электромагнитных колебаний и т.д.

Ответы к упражнениям

Упражнение 27.1.

Вариант 1. С помощью интеллектуальных сенсоров в будущем можно создать искусственные органы чувств, которые позволят человеку непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено. Для этого выход интеллектуального сенсора будет непосредственно связан с нервными окончаниями или, например, с тактильными сенсорами человека. Благодаря "вживлению", скажем, миниатюрного интеллектуального сенсора радиации, человек получит возможность непосредственно ощущать ионизирующую радиацию, начиная даже от незначительных доз. Одетый на пальцы искусственный "орган ощущения радиации" поможет легко найти источник радиации. После "вживления" миниатюрного газового сенсора обладатель этого дополнительного "органа обоняния" будет ощущать присутствие химических соединений, которые для обычного человека не имеют запаха. Например, на ряде опасных химических производств персоналу чрезвычайно важно иметь сенсоры, непосредственно информирующие его об опасных химических агентах: угарном газе, фосфорорганических пестицидах, ядах. Человек, которому это требуется по роду профессии, сможет слышать инфразвуки или ультразвуки определенных диапазонов, например, ультразвуки, издаваемые дельфинами.

Вариант 2. На уровне сознания мы почти не ощущаем свои внутренние биохимические процессы. Имеющаяся сигнальная система информирует нас о возникающих нарушениях метаболизма только посредством болевых ощущений от внутренних органов (желудка, печени и т.д.). Эти ощущения возникают, как правило, только после значительных и уже необратимых изменений. Вживленные в организм сенсоры смогут успешно определять содержание важных биохимических соединений (кислотность желудочного сока, концентрацию глюкозы, мочевины, холестерина в крови и т.д.) и позволят нуждающемуся в этом человеку проводить мониторинг своего внутреннего метаболического состояния на уровне сознательного индивидуального постоянного контроля. Уже и сейчас имеются интеллектуальные сенсоры, измеряющие артериальное давление, выявляющие нарушения сердечного ритма и т.д. Но сигналы от них мы получаем, глядя на дисплей. А можем, в принципе, ощущать это непосредственно, если выход сенсора связан с нервами или воздействует на какие-то наши тактильные сенсоры.

Вариант 3. Интеллектуальные медицинские "микророботы" уже начинают создавать. Уже применяют в медицинской практике миниатюрные интеллектуальные видеосенсоры для обследования пищеварительного тракта. Применение новейших микросистемных и нанотехнологий может со временем сделать возможным создание интеллектуальных медицинских "микророботов" микронных размеров. Они будут вводиться в организм человека, двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции. Будут обследовать соответствующие органы, участки тела, брать анализы, доставлять лекарства, лечить.

Вариант 4. Миниатюрные видеокамеры, заключённые в пилюле, уже применяют в медицинской практике. Пациент глотает эту пилюлю, и она начинает своё естественное путешествие по пищеварительному тракту. А видеосенсор ведет цветную съёмку крупным планом состояния слизистой оболочки и передает получаемую информацию в маленький приёмник на поясе или в сумке пациента. Клинические испытания показали, что для диагностики воспалений, язв, эрозий, полипов и прочих аномалий слизистой желудка и кишечника, пилюля вдвое эффективнее, чем традиционная эндоскопия. Кроме того, обычный эндоскоп не дает возможности обследовать тонкий кишечник, имеющий в длину около 7 м. Некоторые "пилюли" имея миниатюрные крючочки, могут останавливаться и внимательнее обследовать интересующее врача место. Таким образом выявляются язвы, подозрительные на рак места в кишечнике и т.д.

Вариант 5. Под медицинскими "транспортными микророботами" понимают изготовленные с применением нанотехнологий миниатюрные рoботы, которые будут доставлять требуемые дозы лекарства в заданное врачом время к определенным больным участкам и клеткам тела. Прототипы таких рoботов имеются уже и сейчас. Например, интеллектуальная пилюля iPill имеет в своём составе микроконтроллер, микронасос, датчики, контролирующие температуру и кислотно-щелочной баланс окружающей среды, а также лекарство в объёме 1 мл. Пилюля может быть запрограммирована так, чтобы выпускать лекарства через различные интервалы времени или при заданных обстоятельствах. Для этого микроконтроллер включает микронасос, выталкивающий требуемую дозу препарата.

Вариант 6. Пилюля-робот, помогающая выявить в желудочно-кишечном тракте места, подозрительные на рак, функционирует следующим образом. Продвигаясь по желудочно-кишечному тракту, она передает цветное видеоизображение внутренних слизистых оболочек на монитор врача. Замечая место, подозрительное на рак, врач посылает радиосигнал роботу, который останавливается и производит анализ отраженного от этого места света. Известно, что в местах роста раковых клеток образуется более густая сеть кровеносных сосудов, и в силу этого увеличиваются локальное кровенаполнение и локальная концентрация гемоглобина в ткани. Такие изменения и можно увидеть в отраженном свете соответствующей длины волны.

Вариант 7. "Респироцит" – один из ожидаемых инструментов будущей "наномедицины" – это будущий искусственный аналог красных кровяных телец, который будет аккумулировать в легких значительные запасы кислорода и адресно доставлять его с потоком крови к органам и клеткам, которые особенно в этом нуждаются. Место отдачи кислорода будет автоматически определяться по повышению концентрации накопленной углекислоты либо по специальному "маркеру" – локальному повышению температуры, локальному магнитному полю и т.д.

Вариант 8. "Цифровой скальпель" – это хирургический скальпель, на острие или вблизи острия которого располагаются интеллектуальные сенсоры микронных размеров, сигнализирующие о том, что вблизи скальпеля находится кровеносный сосуд или ответственный нервный узел. Такие сенсоры нужны хирургам и микрохирургам, выполняющим операции на головном мозге, в глазах, в ушной раковине, на микрососудах или на нервных узлах, – везде, где важна исключительная точность и безопасность. Они будут страховать хирурга от неверных движений и существенно повысят количество удачных операций.

Упражнение 27.2.

Вариант 1. Для построения "интеллектуальных зданий" необходим следующий набор интеллектуальных сенсоров:

Вариант 2. Опыт показывает, что потребление энергоресурсов и затраты на обслуживание в "интеллектуальных зданиях" сокращаются на 20-30%. Повышаются комфорт и безопасность. Затраты справедливо и объективно распределяются между всеми пользователями. Грамотно спроектированное "интеллектуальное" здание в случаях аварийного отключения внешней энергосети или подачи воды по сигналам от соответствующих сенсоров автоматически задействует резервный электрогенератор, запасную схему водоснабжения, аварийное освещение и т.д. и предупредит пользователей здания об аварийной ситуации. Это практически сводит на нет возможность выхода из строя высокотехнологического оборудования, что также ведет к экономии средств. Такое оборудование может работать бесперебойно в течение многих лет.

Вариант 3. Для построения "умного дома" необходим примерно следующий набор интеллектуальных сенсоров:

Вариант 4. "CyCab" – это "интеллектуальный" двухместный электромобиль массой 300 кг и размерами 1,9?ешьуж1,2 м, имеющий по одному электромотору мощностью 1 кВт на каждое колесо, развивающий скорость до 30 км/час и обеспечивающий дальность пробега 40 км без подзарядки. В электромобиле реализованы две технологии управления: ручного и автоматического. В ручном режиме пассажир ведет автомобиль с помощью ручки управления (джойстика) и сенсорного экрана. Джойстик соединен с компьютером, который в действительности управляет движением, обеспечивая его безопасность: например, он автоматически ограничивает скорость на поворотах и в других опасных местах. Для управления не требуется специальных навыков, им может пользоваться каждый. Через сенсорный экран можно узнать свое местоположение, скорость движения, пройденную дистанцию, доступную дальность пробега; можно установить автоматический режим работы электромобиля, связаться со службой поддержки и т.д. Также можно реализовать и другие режимы автономного движения (например, радиоуправление или движение по указателям).

Вариант 5. На основе интеллектуальных электромобилей можно создать систему "такси". Множество таких электромобилей будет доступно всем пользователям с помощью электронной кредитной карты. Такое "такси" можно "взять" на стоянке или вызвать через Интернет. Тогда оно само подъедет к указанному клиентом месту. Когда клиент освобождает "такси", электромобиль сам отъезжает к ближайшему месту парковки и подзаряжает аккумуляторы. Такой вид транспорта удобен для пользования, создает мало шума, не загрязняет атмосферу города, занимает мало места для парковки и экономичен.

Вариант 6. Для построения "интеллектуальной дороги" необходим следующий набор интеллектуальных сенсоров:

Вариант 7. Интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей, фиксируют и сохраняют распознанный номер и время регистрации в своей базе данных вместе с изображением транспортного средства и кадром с номерным знаком. Формируется база всех транспортных средств, прошедших через зону контроля, с возможностью добавления текстового комментария к каждому распознанному номеру. Такой сенсор может также сравнивать номера автомобилей с перечнем номеров автомобилей, находящихся в розыске. В случае совпадения немедленно включается его видеосъемка и отсылается сообщение в соответствующие органы. По зафиксированным сенсором номерам автомобилей в случае нарушений в базе данных отыскивается адрес владельца. И ему автоматически высылается счет на оплату штрафа.

Вариант 8. "Интеллектуальные транспортные системы" – это системы автоматического регулирования транспортного движения, которые используют данные сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, они соответствующим образом оптимизируют работу светофоров, сообщают по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляют регулировщиков в наиболее напряженные участки. На наиболее напряженных перекрестках устанавливают web-видеокамеры, которые непрерывно транслируют информацию о транспортной обстановке в Интернет. Водители получают возможность лично увидеть обстановку на соответствующем перекрестке и своевременно оптимизировать маршрут своего движения. Накапливаемая интеллектуальной транспортной системой статистика помогает объективно определить, куда в первую очередь надо вкладывать средства, выделяемые на совершенствование инфраструктуры дорог.

Упражнение 27.3.

Вариант 1. Чтобы из интеллектуальных сенсоров могли формироваться беспроводные сенсорные сети, они должны обладать узлами беспроводного радиоинтерфейса типа Bluetooth. А в память их микрокомпьютера должны быть записаны программы соответствующих протоколов связи и указания, с какими сенсорами и в каком качестве они должны вступать в связь.

Вариант 2. Сенсорная сеть из десятков-сотен тысяч сенсоров, разбросанных в акватории океана, может обеспечить мониторинг за процессами, происходящими на его огромных акваториях. Сенсоры могут улавливать звуки или ультразвуковые отражения проходящих мимо кораблей, "переговоры" китов и дельфинов, снимать информацию с датчиков проплывающих рыб, если они на них установлены. Сенсорная сеть позволит своевременно обнаруживать зарождение штормов и цунами, изменения течений, подводные землетрясения, извержения подводных вулканов.

Вариант 3. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, разбросанных в верховьях рек, позволит контролировать количество выпавших там осадков, влажность почвы и своевременно узнавать об угрозе наводнений. Они могут осуществлять также экологический мониторинг.

Вариант 4. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, разбросанных на территории биосферного заповедника, будет автоматически собирать и передавать информацию обо всех важных событиях и изменениях, которые происходят на его границах и на всей территории. Это позволит значительно надежнее беречь, охранять уникальную флору и фауну.

Вариант 5. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, разбросанных на ледниках Арктики, может отслеживать состояние погоды, количество выпадающих осадков, движение ледников, параметры окружающей среды (влажность, давление, температуру, освещенность, состав атмосферы и воды). Тем самым будет осуществляться значительно более полный и комплексный контроль над обширным пространством Арктики.

Вариант 6. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, размещенных вдоль трасс нефте- и газопроводов, может осуществить полный контроль за их состоянием, защиту от террористов, пресечь несанкционированный отбор энергоносителей, своевременно оповещать о малейших неисправностях и ЧП на этих трассах.

Вариант 7. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, размещенных на полях и плантациях сельхозпредприятий, может отслеживать влажность и состав почвы, протекание фотосинтеза в зеленых листьях растений. Будучи интеллектуальными, они могут в зависимости от меняющихся условий автоматически регулировать искусственное орошение и внесение удобрений, сообщать о появлении вредных насекомых или болезней растений, о необходимости ухода.

Вариант 8. Сенсорная сеть из десятков тысяч сенсоров, размещенных на вершинах спящих вулканов, может отслеживать метеоусловия там, колебания почвы, возникновение выбросов, своевременно предупреждать об угрозе пробуждения вулкана. А во время извержения сеть может отслеживать направления и объёмы выбросов, их характеристики.

Упражнение 27.4.

Вариант 1. GPS-приемник является комбинированным интеллектуальным сенсором. Ведь первичными информационными сигналами в нём являются, с одной стороны, его собственное географическое положение, с другой стороны, радиосигналы от навигационных спутников. Кроме того, нужны сигналы точного времени от собственного хронометра. И только наличие этих трёх видов сигналов одновременно позволяет получить информацию о GPS координатах приёмника. Соответственно, являются комбинированными интеллектуальными сенсорами также GPS навигатор и трекер, в состав которых входит GPS приёмник.

Вариант 2. Рыбопоисковые эхолоты не стоит считать комбинированными интеллектуальными сенсорами. Конечно, в них тоже имеются клавиши управления, первичным информационным сигналом в которых является механическое нажатие. Но это ведь вспомогательные функции. А основную информацию несут всё-таки отраженные ультразвуковые акустические сигналы.

Вариант 3. Интеллектуальные сенсоры для УЗ исследований можно отнести к группе комбинированных. Дело в том, что для получения объёмных ультрасонограмм надо получать информацию от многих датчиков, пространственно размещенных в разных местах. В некоторых интеллектуальных УЗИ сенсорах используется также линейное перемещение кристаллов с датчиками по заданной программе. Т.о., одновременно используются и ультразвуковые, и механические первичные информационные сигналы.

Вариант 4. Цифровые фотоаппараты можно отнести к группе комбинированных. Ведь, кроме фоточувствительной матрицы, во многих из них имеются механические датчики ориентации, датчики общей освещенности, оптические датчики расстояния, датчики времени.

Вариант 5. Радиолокаторы с вращающейся или линейно перемещаемой антенной являются комбинированными интеллектуальными сенсорами. Ведь, кроме отраженных от целей радиосигналов, первичную информацию в них несут также механические сигналы текущего углового или линейного положения антенны. В то же время радиолокаторы без перемещения антенны, определяющие только расстояния до расположенных впереди предметов, не стоит относить к группе комбинированных.

Вариант 6. Мобильные телефоны являются комбинированными интеллектуальными сенсорами. Ведь они, с одной стороны, должны воспринимать первичные звуковые сигналы речи хозяина, а с другой стороны, воспринимать адресованные им радиосигналы. Во многих мобилках имеются еще и другие встроенные сенсоры: цифровые фотоаппараты или видеосенсоры, датчики ориентации в пространстве, "игровые" клавиши и т.д.

Вариант 7. Интеллектуальные электрохимические глюкометры не стоит считать комбинированными сенсорами. Первичные информационные сигналы в них кулонометрические. Все остальные сигналы (нажатия клавиш управления, замыкания электрической цепи при вставлении тест-полоски) являются только вспомогательными.

Вариант 8. Хронофлуорометры не стоит считать комбинированными интеллектуальными сенсорами. Всю первичную информацию в них несут сигналы флуоресценции хлорофилла. Все остальные сигналы являются только вспомогательными.