面向IoT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增材制造模塊化平臺設(shè)計實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）開發(fā)的一個關(guān)鍵功能是實(shí)時環(huán)境監(jiān)測，這可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）來實(shí)現(xiàn)。WSN由分布在環(huán)境中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)向控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)報告。傳感器節(jié)點(diǎn)可以測量很多類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、振動以及氣體等。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息傳送到基站，控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)就會評估這些數(shù)據(jù)，并在必要時采取行動。

WSN在智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能基礎(chǔ)設(shè)施、極端環(huán)境監(jiān)測和智能制造等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。這些系統(tǒng)可以推進(jìn)的一個更廣泛的目標(biāo)，是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

要真正實(shí)踐WSN，這些傳感器節(jié)點(diǎn)必須體積小、成本低。盡管有許多制造工藝可用于制造WSN節(jié)點(diǎn)，但增材制造是其中特別吸引人的工藝之一。這種技術(shù)非常適于構(gòu)建具有多個節(jié)點(diǎn)的WSN，增材制造是制造小型化、低成本設(shè)備的可靠且可擴(kuò)展的方法。增材制造可以快速、低成本地制造原型。由于增材制造涉及沉積材料，而不像減材制造那樣由較大的樣品去除材料，因此可以減少浪費(fèi)。它還能制造出傳統(tǒng)技術(shù)難以制造的定制幾何形狀。

增材制造是一種用途廣泛的技術(shù)，已被用于制造可用于WSN傳感節(jié)點(diǎn)的各種組件。增材制造的傳感器可以測量一系列環(huán)境變量，包括壓力、濕度、溫度、食品腐敗、氣體以及鉛含量等。增材制造技術(shù)還可以用于制造天線、RFID標(biāo)簽和射頻反向散射前端系統(tǒng)等。由于這些組件都是單獨(dú)開發(fā)的，因此需要進(jìn)行集成研究，才能在完全增材制造的WSN中獲得實(shí)際應(yīng)用。

這些組件可以執(zhí)行許多不同的功能，因此需要一個整體平臺來整合這些不同的子系統(tǒng)。合適的解決方案必須滿足兩個要求：既要足夠的標(biāo)準(zhǔn)化，使所有傳感器節(jié)點(diǎn)都能使用單一工藝制造；又要有足夠的靈活性，以便為廣泛的應(yīng)用設(shè)計不同的傳感器節(jié)點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出了一種WSN集成平臺，提供了一種“即插即用”的方案，能夠利用單一制造工藝選擇并組合不同的增材制造組件。該方案旨在解決當(dāng)前集成方法的不足。該研究成果已經(jīng)發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該研究為于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一種全集成、全印刷的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。本研究制作的概念驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，其增材制造組件布置于1 cm x 1 cm x 2 cm矩形棱柱的不同面。該概念驗(yàn)證設(shè)計由四個全部采用增材制造工藝的主要組件組成，包括：電阻式溫度傳感器、基帶電路、反向散射前端和天線。研究人員提出將所有這些組件都視為模塊化元件，可以根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行更換，而無需重新設(shè)計整個平臺。

鑒于WSN應(yīng)用的多樣化，這種被稱為“魔方（magic cube）”的平臺展示了顯而易見的優(yōu)勢。創(chuàng)建設(shè)備單個組件的步驟與創(chuàng)建完全集成節(jié)點(diǎn)的步驟完全相同。因此，無需開發(fā)新的制造工藝，就能為設(shè)備制作新組件的原型。此外，這種方法還可以將設(shè)備的多個部分作為一個完全集成的單元直接打印和制造。與以往方法相比，該平臺及其“即插即用”方法可以設(shè)計并生產(chǎn)更多種類的傳感器節(jié)點(diǎn)，而且開發(fā)速度更快。

對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。（a）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用；（b）模塊化魔方平臺的優(yōu)勢。

“魔方”平臺的制造過程

該平臺為持續(xù)生產(chǎn)全集成、全印刷的無線傳感器節(jié)點(diǎn)打開了大門。要充分利用該平臺的優(yōu)勢，必須使用給定的制造工藝開發(fā)其它組件。這可以包括傳感器、天線、電源以及任何能為設(shè)備增加額外功能的組件。特別值得關(guān)注的是，用能量收集系統(tǒng)取代太陽能電池，將使設(shè)備能夠在沒有足夠光照的環(huán)境中工作。此外，還可以用更復(fù)雜的基于微處理器的設(shè)計來取代簡單的反向散射前端。這些進(jìn)一步的發(fā)展，將使本文提出的概念驗(yàn)證方法轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)上可行且可實(shí)施的平臺。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49130-0

審核編輯：劉清