物联网

纳米技术、物联网和工业4.0将会在哪里相遇?

2019-05-23 来源:EEWORLD


随着我们能够记录更多精确的数据,并且有更多种自动数据分析的方法,物联网(IoT)、工业物联网(IIoT)以及工业4.0获得了显著的发展。近年来,软件、算法和机器学习的进步使得很多传感器网络实现了自动化运行,除非有系统通知,否则在运行过程中是不需要操作人员的。这些新型的传感器网络和数据处理方法被应用于智能建筑和工业生产等领域的各种应用,在这些应用中每个环节都很容易根据最近获得的数据和历史数据进行不断的优化。在很多情况下,它们还可以自动更改内部运行条件,并且只有在出现问题或数据趋势显示即将停机时才会通知操作员,这无疑提高了多个行业的生产效率。


当我们说到物联网时很多人都不会想到纳米技术,但是纳米技术已经被用来推动数据优化了。未来很有可能会在一些领域用于商业用途,这些领域涉及最初的数据采集到使用纳米材料建立完整的信息交换网络。


提升传感器的性能


物联网和工业4.0的核心正是传感器本身,也许从纳米技术受益最大的领域就是初始数据测量。随着软件和数据分析方法的发展,它们可以处理更多的数据,初始数据越精确那么整个物联网系统就会更加的精确。


将纳米材料作为“传感材料”集成到各种类型的传感器中是有据可考的,它们的使用带来了更高的效率。纳米材料尺寸小巧,特别是像石墨烯这样的2D材料的表面积更大,能够检测更多环境变化。不过纳米材料的传感机制并不是都一样的——有些是靠远程感应,有些则是通过吸收分子,还有一些是感知物理变化的反应。


纳米材料有各种各样的特性,这样的特性使传感机制能够有效工作——它们可以是通过测量不同距离的光学变化来传感、也可以是通过表面原子的吸收情况来传感,也可能是通过弯曲、拉伸或压缩来传感。一些纳米材料至少具备其中一种能力,由于纳米材料具有较高的导电性和载流子迁移率,因此具有较高的灵敏度和更准确的数据采集能力。当某物体被感知(通过吸附、物理反应)时传感机制会引起纳米材料导电率的变化,然后可以作为可测量的响应进行检测。因为纳米材料的导电性和载流子的迁移率通常都很高,所以对导电率的变化都有很高灵敏度,因此导电率的微小变化都能检测得到。


纳米级物联网(IoNT)


纳米技术与物联网结合的第二个领域是创建物理网络,由纳米材料组成,通过在纳米级别上相互通信的不同组件来促进数据的交换,这就是所谓的纳米级物联网(IoNT)。在发展方面它还没有达到其它物联网系统的水平,但是它已经引起了通信和医疗部门的兴趣,其中一个例子是实地遥感测量,此外还有人体内不同参数的测量。


系统是怎样工作的


与任何系统一样,纳米级物联网(IoNT)也是由多个组件组成的。这些组件之间有两种常见的通信方式,一种是电磁纳米通信(电磁波的传输和接收),另一种是分子通信(分子中编码的信息)。至于组件本身,IoNT有四个主要的部分帮助促进信息的传递,它们分别是纳米节点、纳米路由、纳米微型接口设备和纳米网关。


纳米节点是IoNT建立过程中最简单也是最小的组件,它们是最基础的纳米机器。这些小型的纳米机器被用来传输数据和执行基本的计算。它们的尺寸(和能量)限制了它们传输数据的距离,而且它们的内存也非常的小。然而,它们通常被安排在特定的位置,并将数据传输给一个更大规模的纳米路由器,然后该路由器可以将数据传输到更远的距离。因此,这些纳米节点通常作为系统中实际的传感器组件。


纳米节点将数据传输给纳米路由器,纳米路由器具有更强大的计算能力。因为它们具有更高的计算能力,所以它们充当所有获取初始数据的纳米节点的聚合器。它们还可以控制纳米节点之间的交换命令,并将信息发送到纳米微接口设备。这些接口设备能够聚合来自纳米路由器的所有数据,并使用纳米通信技术和经典网络协议的组合将数据传输给纳米网关(反之亦然)。然后,网关可以作为整个系统的控制器,使得在任何地方都可以通过互联网访问这些数据。


总结


工业4.0只是刚刚兴起,并且会在未来几年持续的发展,这是已知的发展趋势。然而,尽管传统的数据传输、云计算和数据操作方法在很多行业中都得到了应用。但是还有一点,就像计算一样,需要通过更小的架构进行数据传输。随着工业4.0在工业的各个领域站稳脚跟,商业上的应用需求将会接踵而来,此时IoNT就会获得更加广泛的应用。


作者简介


利亚姆·克里奇利(Liam Critchley)是一位作家、记者以及技术布道者。他专注于化学和纳米技术,以及如何将分子水平上的基本原理应用于更多不同的领域。利亚姆最出名的可能是他教授知识的方法,他可以向科学家以及非科学家解释复杂的科学问题。利亚姆目前已经在化学和纳米技术交叉的各个科学领域和行业发表了350多篇文章。


利亚姆目前担任欧洲纳米技术产业协会(NIA)的高级科学宣传人员,并且在过去几年的时间里为全球不同地区的公司、协会和媒体网站撰写文章。在成为一名作家之前,利亚姆获得了纳米技术和化学工程两个硕士学位。



相关文章