面向IoT无线传感器网络节点的增材制造模块化平台设计实现

物联网（IoT）开发的一个关键功能是实时环境监测，这可以通过无线传感器网络（WSN）来实现。WSN由分布在环境中的大量传感器节点组成，这些节点向控制物联网网络报告。传感器节点可以测量很多类型的环境数据，包括温度、湿度、光照强度、振动以及气体等。一旦传感器节点将相关信息传送到基站，控制物联网网络就会评估这些数据，并在必要时采取行动。

WSN在智慧农业、智能家居、智能基础设施、极端环境监测和智能制造等领域都有重要应用。这些系统可以推进的一个更广泛的目标，是环境的可持续发展。

要真正实践WSN，这些传感器节点必须体积小、成本低。尽管有许多制造工艺可用于制造WSN节点，但增材制造是其中特别吸引人的工艺之一。这种技术非常适于构建具有多个节点的WSN，增材制造是制造小型化、低成本设备的可靠且可扩展的方法。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积材料，而不像减材制造那样由较大的样品去除材料，因此可以减少浪费。它还能制造出传统技术难以制造的定制几何形状。

增材制造是一种用途广泛的技术，已被用于制造可用于WSN传感节点的各种组件。增材制造的传感器可以测量一系列环境变量，包括压力、湿度、温度、食品腐败、气体以及铅含量等。增材制造技术还可以用于制造天线、RFID标签和射频反向散射前端系统等。由于这些组件都是单独开发的，因此需要进行集成研究，才能在完全增材制造的WSN中获得实际应用。

这些组件可以执行许多不同的功能，因此需要一个整体平台来整合这些不同的子系统。合适的解决方案必须满足两个要求：既要足够的标准化，使所有传感器节点都能使用单一工艺制造；又要有足够的灵活性，以便为广泛的应用设计不同的传感器节点。

据麦姆斯咨询介绍，美国佐治亚理工学院的研究人员提出了一种WSN集成平台，提供了一种“即插即用”的方案，能够利用单一制造工艺选择并组合不同的增材制造组件。该方案旨在解决当前集成方法的不足。该研究成果已经发表于Scientific Reports期刊。

该研究为于物联网应用提供了一种全集成、全印刷的无线传感器节点。本研究制作的概念验证节点，其增材制造组件布置于1 cm x 1 cm x 2 cm矩形棱柱的不同面。该概念验证设计由四个全部采用增材制造工艺的主要组件组成，包括：电阻式温度传感器、基带电路、反向散射前端和天线。研究人员提出将所有这些组件都视为模块化元件，可以根据不同的设计目标进行更换，而无需重新设计整个平台。

鉴于WSN应用的多样化，这种被称为“魔方（magic cube）”的平台展示了显而易见的优势。创建设备单个组件的步骤与创建完全集成节点的步骤完全相同。因此，无需开发新的制造工艺，就能为设备制作新组件的原型。此外，这种方法还可以将设备的多个部分作为一个完全集成的单元直接打印和制造。与以往方法相比，该平台及其“即插即用”方法可以设计并生产更多种类的传感器节点，而且开发速度更快。

对无线传感器网络的需求。（a）无线传感器网络的实际应用；（b）模块化魔方平台的优势。

“魔方”平台的制造过程

该平台为持续生产全集成、全印刷的无线传感器节点打开了大门。要充分利用该平台的优势，必须使用给定的制造工艺开发其它组件。这可以包括传感器、天线、电源以及任何能为设备增加额外功能的组件。特别值得关注的是，用能量收集系统取代太阳能电池，将使设备能够在没有足够光照的环境中工作。此外，还可以用更复杂的基于微处理器的设计来取代简单的反向散射前端。这些进一步的发展，将使本文提出的概念验证方法转变为商业上可行且可实施的平台。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49130-0

审核编辑：刘清