面向IoT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增材制造模塊化平臺

來源：MEMS

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）開發(fā)的一個關(guān)鍵功能是實時環(huán)境監(jiān)測,，這可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）來實現(xiàn)。WSN由分布在環(huán)境中的大量傳感器節(jié)點組成,，這些節(jié)點向控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)報告,。傳感器節(jié)點可以測量很多類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度,、濕度,、光照強度、振動以及氣體等,。一旦傳感器節(jié)點將相關(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)可以推進的一個更廣泛的目標，是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,。

要真正實踐WSN,，這些傳感器節(jié)點必須體積小、成本低,。盡管有許多制造工藝可用于制造WSN節(jié)點,，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)點的WSN,，增材制造是制造小型化,、低成本設(shè)備的可靠且可擴展的方法。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,。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標簽和射頻反向散射前端系統(tǒng)等。由于這些組件都是單獨開發(fā)的,，因此需要進行集成研究,，才能在完全增材制造的WSN中獲得實際應(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：既要足夠的標準化，使所有傳感器節(jié)點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。

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,。本研究制作的概念驗證節(jié)點，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)計目標進行更換,，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，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,。這些進一步的發(fā)展,，將使本文提出的概念驗證方法轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)上可行且可實施的平臺。

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