מכשירים עצמיים מופעלים לניהול אסון ומערכות אזהרה מוקדמות

הקדמה: התפקיד של IoT מבוסס-עצמי בתגובה לאסון המודרני

אסונות טבעיים ואנושיים – מ רעידות אדמה וצונאמיים ועד שריפות בר ותאונות תעשייתיות – שביתה עם אזהרה מועטה, לעתים קרובות מטלטלטלת הקהילות החזקות מאוד תלויות בתקשורת ובתיאום.הפקות כוח הן בין ההשלכות הראשונות והמפחידות ביותר, תוך מינוף הקשר בין חיישנים מוקדמים, מערכות התראה ומקרי חירום.

מכשירים עצמיים מבוססי IoT - אלה אשר לקצור אנרגיה ממקורות מורכבים כגון אור השמש, הרוח, רטט או טמפרטורה שונות - הם מחדש ניהול אסון.הם מספקים איסוף נתונים מתמשך, בזמן אמת ועברה ללא קשר למצב רשת. מאמר זה חוקר את הטכנולוגיה שמאחורי מכשירים אלה, היישומים הקריטיים שלהם באזהרה מוקדמת ותגובה, היתרונות שהם מביאים על מערכות קונבנציונליות, ואת האתגרים שנותרו על ידי הבנה של איך עצמי עובד, קהילות מונעות יכולות להציל חיים טובים יותר, עיצובים יותר טוב יותר.

הבנת מכשירים אלקטרוניים

אנרגיה מתחדשת מימון

מכשירים עצמיים מבוססי IoT, הידועים גם כחיישנים אנרגיה-אוטוניים, מייצרים את החשמל שהם זקוקים לו מסביבתם.בניגוד למכשירים המופעלים על סוללות הדורשים תחליף תקופתי – סיוט לוגיסטי במהלך אסונות – מערכות אלה הופכות אנרגיה מכוננת לכוח הניתן להשגה.

• (FLT:0) Solar Photovoltaic (PV): ההרחבה 1 של תאים סולאריים קטנים להמיר אור לחשמל.התקדמות בפאנלים דקים וגמישים מאפשרת שילוב לדיורי חיישן, מה שהופך אותם מתאימים לפרריסה חיצונית בשטח פתוח.
• (FLT:0) אנרגיה מנצחת: 1 מיקרו-wind טורבינות או פסים אדזואלקטריים מחלחלים ללכוד אנרגיה קינטית מן הרוח.אלה יעילים באזורים החוף נוטה להוריקן או קרורדו.
• (FLT:0) קינטית ו-Vbration Harvesting:cioFLT:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) גנרטורים של ה-TEGs: TEGs לנצל את ההבדלים בין שני משטחים (למשל, צינור תעשייתי חם ואוויר קריר) כדי לייצר חשמל.הם יכולים חיישנים כוח באזורי אש או ליד פעילות געשית.
• (FLT:0)Radio-Frequency (RF) Harvesting:FLT:1 גלי רדיו Ambient מ-Wi-Fi, תאיים או מגדלי שידור נלכדים ומוחזרים לכוח DC. בעוד שמאגרי אנרגיה נמוכים, יבול RF יכול להוסיף מקורות אחרים באזורי אסון עירוניים.

ניהול חשמל ואחסון

גם עם קציר, זמינות אנרגיה משתנה.עצמי מכשירים משלבים מעגלי ניהול אנרגיה חכמים לאחסון אנרגיה מקצירים על supercapacitors או סוללות טעינה קטנה (למשל, ליתיום או מוצק המדינה מיקרובקרים) להתאים באופן דינמי את קצב החיישן, מרווחי נתונים, מחזורי שינה כדי להתאים אנרגיה מאוחסנים.

יישומים בניהול אסון

מערכות אזהרה מוקדמת ל-Gological Hazards

רעידות אדמה וצונאמיות דורשות זיהוי חלקי שנייה.חיישנים סיסמיים המופעלים לאורך קווי אשמה יכולים לפעול במשך שנים ללא תחזוקה, קצירת אנרגיה מהרטטים הקרקעיים שהם מצגים.כאשר רעידת אדמה מזוהה, החיישן מעביר באופן מיידי אזהרה באמצעות רשתות דלת-א רחבות עוצמה (למשל, ל-RaWAN) או קישורים לווייניים למרכזי עיבוד מרכזיים.

עבור צונאמי, חיישני לחץ על רצפת האוקיינוס מופעלים בדרך כלל על ידי כבלים או סוללות גדולות.התעוררות מערכות buoy מופעלות עצמית להשתמש ממירים אנרגיה גל כדי לטעון חיישנים עמוקים הים, המציע אלטרנטיבה יעילה עלות להרחבת הכיסוי של רשתות התראה צונאמי מן האוקיינוס הפתוח לאזורים הסמוכים לחוף שבו האיום מעצימה.

מעקב אחר אסון אקלים-Driven

שריפות, שיטפונות, ומפולות אדמה לעתים קרובות לפתח במשך שעות או ימים. מידע רציף, בזמן אמת מרשתות IoT המופעלות על ידי עצמי מאפשר לרשויות לעקוב אחר תנאים והנפיק אזהרות לפני שהסיכון יחריף.

• (FLT:0) ניטור פלודי: 1FLT:1 חיישנים ברמת מים סולרית לאורך נהרות ומערכות ניקוז עירוני לשדר נתונים לפלטפורמות ענן.כאשר רמות עולה על סף, התראות נשלחות לשירותי חירום והציבור באמצעות SMS או סרנס.TheFLT:2 National Oceanic and Aאטמוספירה Administration (NOAA) משלבות נתונים כאלה לתוך מודלים של שיטפון.
• (FLT:0 Wildfire Detection:FLT:1 Networks of thermoelectric- and Sun-Power-Ral-Ral-Ral-Ral-Ral-Power-Ride - גילוי חלקיקים וספיציפי טמפרטורה באזורים מושתרים.
• (FLT:0) חיזוי מפולת: 1FLT:1 soil לחות, הטיה וחיישנים רטט המופעלים על ידי טורבינות רוח קטנות או קצירים קינטיים לפקח על מדרונות לא יציבים.ניתוח נתונים מזהה מבשרים כגון תנועת אדמה הדרגתית, המאפשר פינויים לפני אמפיביים.

חיפוש והצלה

לאחר אסון, איתור ניצולים לכודים תחת פסולת או באזורים מרוחקים הוא גזע נגד הזמן.

• (FLT:0) חיישנים המשפיעים על חיישנים של השפעה כספית 1FLT) אשר ממוקמים בהריסות יכולים לזהות את הרטטים הקלושים של התנועה האנושית או הברזל.חיישנים אלה לקצור אנרגיה מאותה רטטים שהם מזהים, המאפשרים הפעלה בלתי-מרוסנת.
• (FLT:0) חיישנים שרירותיים ואקוסטיים 1R) המופעלים על ידי חום גוף או רדיו--קציר ניתן להטמיע בתגי הצלה עונדים.כאשר ניצול מגיע ליד אזור חיפוש, התג מפעיל ומעביר משואה בעוצמה נמוכה.
• פריסת אוויר:0(Aerialפריסת:0) 1FLT ( טיפות של "אבק חכם") – חיישני סולאריים זעירים או רטטים – מעל אזור אסון יכולים ליצור רשת מיידית לאיתור קורבנות ללא צורך בתשתיות קרקעיות.

עמידות לתשתיות תקשורת

מכשירים עצמיים מבוססי IoT אינם קיימים בבידוד.הם מהווים חלק חיוני של שכבת תקשורת גמישה שיכולה לשרוד אובדן כוח.על ידי קישור צניפים לרשתות בעלות כוח נמוך רחב (LPWANs), קבוצות לווינים (למשל, Iridium או Globalstar), או אפילו רדיוי מלש, מכשירים אלה להבטיח כי זרימת נתונים גם כאשר מגדלי אינטרנט ועמודי אינטרנט אינם מסוגלים להגיב על גבי שער סולארי, למשל, על גבי שער סולארי, על פני כדור הארץ, יכול לענות על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, עם חיישנים יציבים, עם חיישנים יציבים, או אפילו חיישנים ממונעים, אשר נוירונים עם אטומים של אטומים של אטומים, אשר יכולים לענות על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, או אפילו אטומים של אטומים, או נוירונים עם נוירונים עם אטומים של אטומים של נוירונים עם אטומים, לדוגמה, אשר יכולים לענות על פני כדור הארץ, לדוגמה, על פני כדור הארץ, או אפילו מוליכים אותם סיליקון, על גבי חיישנים סולארי, על גבי סיליקון, או אפילו סיליקון, או אפילו אטומים, על גבי חיישנים סולארי, או אפילו אטומים, או מוליכים אותם מוליכים אותם

היתרונות של מערכות מבוססות-עצמיות על פני IoT

מבצע בלתי מעצור במהלך כשלים גריידיים

חיישני IoT מסורתיים התלויים סוללות או כוח ראשי הם פגיעים.בטריקים מתפוגגים לאורך זמן; כוח עיקרי נעלם במהלך אסון.מכשירים המופעלים על ידי עצמי לעקוף את שתי המגבלות על ידי קצירת אנרגיה רציפה.בתסריט פוסט-אורגרינה בן שלושה שבועות, חיישן מים המופעל על ידי השמש ימשיך לדווח על רמות מים, בעוד יחידת סוללות עשויה להיכשל בתוך ימים.

מחיר נמוך של בעלות

בעוד העלות העליונה של מכשיר מופעל על ידי עצמי יכול להיות גבוה יותר בשל מרכיבי קציר אנרגיה, חיסכון לטווח ארוך הם משמעותיים.חיסול ביקורים של סוללות - אשר יכול לדרוש נסיעות מסוקים באזורים מרוחקים - חתכים באופן דרסטי עלויות לוגיסטיקה ועבודה. יתר על כן, את ההתקנים ניתן לפרוס פעם במשך עשור או יותר, מה שהופך אותם אידיאלי עבור רשתות התראה מוקדמות בקנה מידה גדול שבו יש צורך אלפי צללים.

מהירות וגמישה

מכיוון שמכשירי IoT המופעלים על ידי עצמי אינם דורשים שיוט, לא צפיר, ולא היתרים חשמליים, הם יכולים להיות מותקנים בשעות – אפילו על ידי מל"טים או ירידה במסוקים.זריות זו חיונית לאחרות המיידיות של אסון, כאשר הזמן יקר ביותר.מנהלי חירום יכולים לפרוס חיישנים נוספים על זבוב כדי לפקח על סיכונים מתפתחים כגון זעזועים או מי שיטפון.

אחריות סביבתית

ניהול אסון חייב לא ליצור סיכונים סביבתיים משניים.עצמים מונעים על ידי שימוש באנרגיה מתחדשת לייצר אפס פליטות במהלך המבצע ולהפחית את מספר סוללות מחוסמות להיכנס למזומנים.עיצובים מודרניים רבים משלבים מחסניות ביו-דידות או מחוספסות, עוד יותר צמצום טביעת הרגל האקולוגית.

איכות נתונים מוגברת וכיסוי

עם היכולת לפעול בהתמדה, חיישנים המופעלים על ידי עצמי מייצרים יותר, יותר זרם נתונים עקבי. ניטור רציף זה מאפשר מודלים חיזוי מדויק יותר.לדוגמה, תחנת מזג אוויר המופעלת על גבי הר יכול לאסוף שנים של נתונים מיקרו-קלידים, שיפור תחזיות הצפות והסערות המקומיות הרבה מעבר למה שסופת סוללות לטווח קצר עלולה להשיג.

אתגרים טכניים ומחקרים פעילים

אנרגיה קצירת יעילות וגמישות

המגבלה הברורה ביותר היא שאנרגיה מסוימת אינה זמינה תמיד.פאנלים סולאריים הם חסרי תועלת בלילה במהלך סערה רציפה; טורבינות רוח עדיין כאשר האוויר רגוע. חוקרים מטלטלים זאת על ידי שילוב של מודולים רבים של קציר - למשל, שמש + רטט + רוח + תרמואלקטרי - כדי להבטיח אספקת בסיס תחת מגוון רחב של תנאים.

(FLT:0)IEEE SpectrumFLT 1 (המכונה לאחרונה) מכשירים אבטיפוס מכוסים כי לקצור אנרגיה לחות וטמפרטורה שונות, פתח אפשרויות חדשות למקלטי אסון מקורה שבו השמש והרוח אינם זמינים.

יציבות בסביבה קיצונית

חיישני אסון חייבים לעמוד בטמפרטורות קיצוניות, לחות גבוהה, תרסיס מלח קורוזי, פסולת מעופפת, והשפעה פיזית. מחסנים מדורגים ל- IP68 או אפילו סטנדרטים ספציפיים מתחת למים הם הכרחיים. החוקרים להתנסות עם חומרים גמישים, self-healing כי יכול להיות עטוף ללא שבר במהלך רעידות אדמה או פסולת שביתות.בנוסף, ציפויים תואמים וחותמת מתקדמים למנוע לחות בטווח הקצר הזה יהיה קצר אלקטרוניקה.

העברת נתונים ורשת Network Community

באסון בקנה מידה גדול, אלפי חיישנים עשויים לנסות לשלוח נתונים בו זמנית.מכשירים המופעלים על ידי עצמי פועלים לעתים קרובות על פרוטוקולים בעוצמה נמוכה (LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox) שיש להם רוחב פס מוגבל.כדי להימנע מעומס, החוקרים מפתחים אלגוריתמים לוח זמנים אינטליגנטיים המעדינים את האזהרות הקריטיות (למשל, "tsunami" על עדכוני סטטוס.

אבטחת סייבר ואמינות

אם ⁇ יכולה להזיז או לגרד נתונים חיישן, מערכת האזהרה המוקדמת הופכת ללא ערך.מכשירים המופעלים על ידי העצמי מוגבלים בכוח עיבוד, מה שהופך אותו מאתגר ליישם הצפנה חזקה ואימות. Light Weight Cryptographic Library (למשל, SHA256-256 מקצרים, או אלפטי-curvegraphy) הם אופטימיזציה עבור מיקרו-בקרים עם מעט כמו 16 KB של פונקציות פיזיקליות (F) אשר יוצרות אבטחה ייחודיות) הן יכולות ליצור טביעות אבטחה ייחודיות.

כיוונים עתידיים וחדשנות

מערכות אנרגיה היברידיות עם AI-Driven Power Management

הדור הבא של מכשירים מבוססי-IoT מופעלים על ידי הדור הבא ישלבו את למידת המכונה בצומת החיישן כדי לחזות זמינות אנרגיה.לדוגמה, מכשיר עם פאנל סולארי וטורבינה רוח קטנה יכול ללמוד דפוסים טיפוסיים ועונתיים של אור השמש והרוח במיקום שלה, ולאחר מכן להתאים את לוח הזמנים שינה / פעיל כדי למקסם את הנתונים באמצעות לוח זמנים קריטי (כמו סערה מתקרבת) הוא מזוהה, המכשיר יכול לעבור למצב גבוה, לפני שידור אפילו של נתונים קריטי של מילואים.

אינטגרציה עם 5G ו- Satellite Backhaul

פרוטוקולים של IoT בעוצמה נמוכה יותר יתחברו לרשתות 5G באמצעות IoT צר פס (NB-IoT) או LTE-M, המציעים שיעורי נתונים גבוהים יותר ושקיפות נמוכה יותר בעת הצורך.עבור אזורים מרוחקים באמת, ישירות אל-satellite IoT (למשל, באמצעות Iridium 9575m) הופך להיות יותר יעיל אנרגיה, ומאפשר חיישנים מופעלים על-עצמי לתקשר מאמצע האוקיינוס או טווח אנרגיה אמיתי של ארקנסוף.

רשתות Mesh מבוססות-עצמיות על אזורים מנותקים

במקום כל חיישן המקשר ישירות לענן מרכזי, מערכות עתידיות ייווצרו רשתות מירשות חיוניות שבהן כל מכשיר מעביר נתונים משכניו.אם כמה מהשדים יושמדו, ה- mesh re-ssh מתפתל סביב כישלונות אנרגיה-חיוביים עם קצירים גדולים יותר יכולים לשמש כראשים של ניהול נתונים, הרחבה נוספת של רשת חיים.

Blockchain עבור נתונים של Verifiable Sensor

אזהרות אסון חייבות להיות אמינות. Blockchain טכנולוגיה יכולה לספק מובלנית בלתי מאומתת של קוראי חיישן, להבטיח כי הנתונים לא נמסו עם החיישן לבין יצרנית ההחלטות. פרוטוקולים blockchain אנרגיה נמוכה (למשל, IOTA או Hedera hashtag) כי לא דורשים הוכחה-ofwork מותאם עבור IoT, וטיפוס מוקדם נבדקו עם צגים סביבתיים מופעלים.

מחקרים וגילויים אמיתיים

חיישנים מבולים סולאריים בבנגלדש

ב-Brahmaputra דלה, הארגון הלא ממשלתי (FLT:0Practical ActionFLT:1) פרסם רשת של חיישנים ברמת מים סולרית המופעלת על ידי השמש.כל חיישן מעביר נתונים באמצעות LoRaWAN לתחנות רדיו מקומיות, אשר משדרות אזהרות בזמן אמת.המערכת פעלה במשך יותר משלוש שנים ללא תחליף יחיד, המדגימה את האמינות האמינות המהימנות של עולם ה-IoT המאתגר ביותר בעולם של אקלים מאתגר.

צ'ילה: Piezoelectric Seismic Nodes in צ'ילה

מערכת האזהרה המוקדמת של צ'ילה (C-SING) כוללת צמתים מונעים על ידי כוחות עצמיים ניסיוניים ליד קו השגיאה Atacama.שימוש בקצירים אדזואלקטריים שממירים תנודות קרקעיות לכוח, הצומת יכול לפעול במשך חודשים במהלך תקופות שקטות ולאחר מכן לשלוח נתונים באופן מיידי במהלך אירועים סיסמיים.המידע מסייע לחדד מפות המשמשות לתגובה חירום.

חיישן האש ההומואלקטרית בקליפורניה

המחלקה בקליפורניה של יער והגנה באש (CAL FIRE) בדקה גלאי עשן המופעלים על ידי תרמואלקטרי ביער הלאומי לוס פאדרס.המכשירים האלה מנצלים ⁇ טמפרטורה בין רצפת היער לבין האוויר כדי לייצר כוח. במהלך עונת האש בשנת 2020, גילוי מוקדם מן הרשת תרם להכיל מהר יותר של שלוש שריפות נפרדות, חיסכון של 15 מיליון דולר בנזק.

מסקנה: בניית קהילות עצמאיות עם IoT מבוסס-עצמי

ההתכנסות של קצירת אנרגיה, תקשורת אלחוטית בעוצמה נמוכה, וניתוח נתונים אינטליגנטי הופך את מכשירי IoT מופעלים על ידי עצמי מסקרנות מחקר ככלי מעשי לניהול אסון.היכולת שלהם לפעול באופן עצמאי ממקורות כוח חיצוני הופכת אותם לתאים ייחודיים לסביבות כאוטי, משאבים בלתי מוגבלות למעקב אחר אסון טבע ואדם.

בעוד אתגרים כגון שקיפות אנרגיה, עמידות ואבטחת סייבר נשארים, מחקר פעיל וניסויים בשטח דוחקים בהתמדה את הגבולות.העשור הבא יראה IoT מופעל על ידי כוח עצמי הופך מרכיב סטנדרטי של מערכות התראה מוקדמות ברחבי העולם, משולב עם רשתות לוויין, קצה AI, וחיזוק תקשורת מרשבת.עבור מנהלי חירום, קובעי מדיניות וקהילות השקעה בהכנות אסון, אימוץ טכנולוגיה זו כבר לא אופציונלית - הוא צורך לבנות מחדש עתיד בטוח יותר.