Inteligentny i elastyczny system czujników ultradźwiękowych oparty na zasadzie modułowej

Szkic koncepcyjny modułowego systemu ultradźwiękowego „SonoOne”. © Fraunhofer IBMT / Schematyczny szkic koncepcji modułowej systemu ultradźwiękowego „SonoOne”. © Fraunhofer IBMT

Poszczególne moduły systemu ultradźwiękowego »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Poszczególne moduły systemu ultradźwiękowego »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Poszczególne moduły systemu ultradźwiękowego „SonoOne” © Fraunhofer IBMT / Indywidualne moduły systemu ultradźwiękowego „SonoOne”. © Fraunhofer IBMT

W ramach Centrum Sensorów i Inteligencji ZSI Fraunhofer został opracowany inteligentny i elastyczny system czujników ultradźwiękowych »SonoOne« według zasady modułowej. »SonoOne« może perspektywicznie obsługiwać dynamicznie rozwijający się rynek ultradźwięków, szczególnie w zakresie przenośnych systemów, za pomocą innowacyjnych produktów o wysokiej elastyczności. »SonoOne« składa się z hardware'u z niedrogich, wielkości pudełka zapałek modułów, które można łatwo łączyć, konfigurować i wykorzystywać uniwersalnie w różnych zastosowaniach akustycznych w ramach systemu, dzięki koncepcji modułowej, umożliwiającej szerokie zastosowania.

Ultradźwięki to elastyczna, niedroga, działająca w czasie rzeczywistym i nieinwazyjna technologia, która sprawdziła się w szerokim zakresie zastosowań od medycyny po przemysł. W dziedzinie medycznej ultradźwięki są wykorzystywane na różnych poziomach złożoności. Jednak nawet najtańsze systemy nadal kosztują kilka tysięcy euro, co ogranicza ich zastosowanie w końcowych użytkownikach (wearables, mHealth, Smart Health) oraz w masowych rynkach zarówno w kontekście medycznym, jak i technicznym. Na przykład w 2021 roku wartość rynku medycznych urządzeń noszonych (wearables) wyniosła 27,2 miliarda USD, podczas gdy rynek urządzeń do pomiaru przepływu krwi, oparty głównie na technologii Dopplera ultradźwięków, osiągnął w tym samym roku jedynie 0,533 miliarda USD. Szczególnie w niedrogim zakresie dla zastosowań IoT, takich jak wearables, istnieje duży potencjał rynkowy dla czujników ultradźwiękowych w połączeniu z automatyczną analizą sygnałów i klasyfikacją za pomocą sztucznej inteligencji.

Ultradźwięki są również szeroko stosowane w przemyśle, np. do pomiaru prędkości przepływu, odległości czy poziomów napełnienia. W przeciwieństwie do zastosowań medycznych, obiekty techniczne różnią się znacznie pod względem rozmiaru, kształtu i materiału. Dlatego dostępne są dedykowane systemy specyficzne dla danej aplikacji, z różnym stopniem integracji, które są albo elastyczne i tym samym skomplikowane i kosztowne, albo specjalnie opracowane dla jednej konkretnej aplikacji i mogą być potencjalnie tańsze w produkcji.

Udanym rozwiązaniem jest system czujników »SonoOne«, opracowany przez Instytut Fraunhofera ds. Technologii Biomedycznych IBMT, który umożliwia elastyczne i inteligentne korzystanie z ultradźwięków według zasady modułowej, aby perspektywicznie obsługiwać szybko rozwijający się rynek ultradźwięków, szczególnie w zakresie przenośnych systemów. Składa się on z niedrogich, wielkości pudełka zapałek modułów hardware'owych, które można łatwo łączyć, konfigurować i wykorzystywać uniwersalnie w różnych zastosowaniach akustycznych dzięki zastosowanym złączom.

Inteligencja czujnika polega na analizie i ocenie zarejestrowanych sygnałów akustycznych. Może to być realizowane przez zewnętrzną jednostkę obliczeniową podłączoną przez WiFi, np. tablet, smartfon, albo przez dostosowaną, kompaktową jednostkę obliczeniową, tak aby zgodnie z podejściem Edge-KI inteligencja była bezpośrednio przenoszona do samych systemów, a jedynie wynik był przesyłany jako wartość pomiarowa. Planowana jest również analiza w chmurze, co umożliwi zbieranie dużych ilości danych z wielu sensorów w różnych lokalizacjach oraz ich centralne przechowywanie, analizę i przetwarzanie.

Dodatkowo, dzięki podejściu modułowemu, można łatwo korzystać z przyszłych innowacyjnych technologii (np. wydajne magazyny energii, nowe standardy komunikacji bezprzewodowej, nowe materiały do czujników ultradźwiękowych, technologie produkcji elektroniki oraz ulepszone algorytmy analizy) poprzez dalszy rozwój i wymianę poszczególnych modułów, co tworzy podstawę do wykorzystania ultradźwięków w zupełnie nowych zastosowaniach.

Minimalna konfiguracja każdego systemu »SonoOne« obejmuje następujące trzy moduły:

1. Moduł ultradźwiękowy wraz z przetwornikiem ultradźwiękowym do rejestrowania sygnałów ultradźwiękowych w szerokim zakresie częstotliwości (kHz-MHz)
2. Moduł komunikacyjny do parametryzacji i sterowania modułem ultradźwiękowym oraz do przesyłania danych ultradźwiękowych np. przez WiFi do urządzenia końcowego lub serwera do analizy sygnałów
3. Moduł zasilania do dostarczania niezbędnych napięć zasilania

Ponadto używana jest oprogramowanie układowe do sterowania przebiegiem pomiaru oraz do komunikacji i parametryzacji systemu. Interfejs sprzętowy do komputera to komercyjnie dostępna płytka mikrokontrolera, która oprócz interfejsu USB posiada również interfejs WLAN. Umożliwia dwukierunkową wymianę informacji sterujących i statusowych oraz przesyłanie danych ultradźwiękowych w czasie rzeczywistym. Za pomocą interfejsu użytkownika można parametryzować system ultradźwiękowy, śledzić na żywo sygnał ultradźwiękowy, analizować go za pomocą różnych filtrów i algorytmów oceny, a także zapisywać.

Modułowa budowa systemu ultradźwiękowego oraz szeroka wiedza z zakresu zastosowań pozwalają Instytutowi Fraunhofera ZSI na dostosowanie się do różnorodnych potrzeb różnych firm i branż oraz na szybkie opracowanie gotowego do rynku, niedrogiego produktu.

Centrum Sensorów i Inteligencji ZSI Fraunhofer

Centrum Sensorów i Inteligencji ZSI Fraunhofer jest wspólną strategiczną inicjatywą badawczo-rozwojową Fraunhofer-Gesellschaft für Angewandte Forschung e. V. oraz Saarlandu. Jako główny punkt kontaktowy służy wzmacnianiu badań i nauki w regionie Saara na korzyść społeczeństwa i gospodarki.

Fraunhofer ZSI rozwija czujnikowe systemy następnej generacji z komponentami AI do zastosowań w dziedzinach badań materiałowych, procesów produkcyjnych i bioprozesów, a także w opiece zdrowotnej. Kluczowy jest cały proces od zbierania danych po analizę i ocenę. Po raz pierwszy stosowane są czujniki i systemy czujnikowe, które w czasie rzeczywistym i autonomicznie podejmują decyzje lokalnie, co pozwala na sterowanie procesami w określonym zakresie. Całościowe, integracyjne podejście przyczynia się do wspólnego rozwoju innowacyjnych systemów aplikacyjnych we współpracy z partnerami z nauki i przemysłu. W późniejszym etapie mają one uzupełniać i poszerzać produkty partnerów.