Multiparameter Active Antenna Sensor

Med utbredelsen av tingenes internett (IoT) i ulike sektorer forventes antallet tilkoblede enheter å nå 75 milliarder innen 2025. Et av de viktigste bruksområdene for slike enheter er å registrere én eller flere fysiske parametere for overvåking og/eller aktivering. Den raske ekspansjonen og den massive utbredelsen av disse enhetene øker behovet for nye designhensyn for å støtte deres fremtidige bærekraft når det gjelder maskinvarebruk og strømforbruk. Dette prosjektet utforsker derfor den revolusjonerende sekundære bruken av sensornodeantennen til multiparametermåling ved hjelp av følsomme sensormaterialer på antennens overflate. Dette eliminerer den konvensjonelle bruken av sensorintegrerte kretser (IC-er) og mikrokontrollere og det tilhørende strømforbruket. Målet er å flytte kompleksiteten fra sensornoden til beregningen av sensordatamottakerstasjonen, der signalbehandlings- og maskinlæringsteknikker brukes til å fjernmåle de aktuelle fysiske parameterne. Avlesningen skjer ved å detektere endringer i antennens strålingskarakteristikk forårsaket av de påførte sensormaterialene. Ideen om å bruke antennen som en aktiv sensor for å registrere flere parametere er helt ny. Dette kan redusere maskinvareforbruket til en standard sensornode med minst 50 % (dvs. at det ikke er behov for sensor-IC-er, sampler, prosessor og minne med tilhørende strømforbruk), noe som resulterer i mer enn en dobling av batterilevetiden. I dette prosjektet har vi demonstrert en antenne med to funksjoner, både sensing og kommunikasjon, inkludert det teoretiske grunnlaget og design av antennen, samt tilhørende signalbehandlings- og maskinlæringsteknikker for deteksjon og konsentrasjonsestimering av de registrerte analytter. På kort sikt vil dette bane vei for nye muligheter innen sensorteknikker og stimulere til videre forskning og innovasjon. Vi forventer at dette vil muliggjøre massedistribuert overvåking ved hjelp av antenneinfrastruktur i ulike miljøer (utendørs og innendørs). På lang sikt vil resultatene påvirke den fremtidige design av antennesystemer i retning av dobbel funksjonalitet med flere sensorkapasiteter. Strategisk sett har prosjektet styrket forskningsbaserte profesjonsutdanninger og praksis innen elektronikk for å møte dagens og fremtidens behov for eksperter med den nye kunnskapen og innovasjonen som prosjektet bringer med seg. Ambisjonen er å skape en ny generasjon IoT-enheter som ikke bare bruker antennen til å sende ut elektromagnetiske bølger, men som også har en sekundær funksjonalitet som aktivt registrerer/føle flere fysiske parametere.

The project generated the following new knowledge advances and provided the theoretical basis for the development of antenna sensors for sensing gas and liquid solutions: i) the development of methodologies for antenna impedance-based sensing. ii) the development of novel sensing materials for surface functionalisation of the antenna surface. iii) new classes of signal processing and machine learning techniques for estimating analyte concentration levels from antenna impedance data. In the short term, the generated knowledge (results) can pave the way for new frontiers in sensing techniques and stimulate further research and innovation efforts. We expect that this can enable mass distributed monitoring using antenna infrastructure in different environments (outdoor and indoor). In the long term, the results can influence the future design of antenna systems towards dual functionality with additional sensing capabilities. We estimate that such sensing solutions can reduce the hardware complexity of standard sensor nodes by at least 50% and more than double their battery life. If further optimisations are made to increase the sensing accuracy of antenna sensors, this could be a game changer for the IoT industry, creating new value creation opportunities.

With the expansion of the internet-of-things (IoT) in various sectors, the number of connected devices is expected to reach 75 billion by 2025. One of the main use-cases of such devices is to sense one or more physical parameters for monitoring and/or actuation purposes. The rapid expansion and massive deployment of these devices rise the need for new design consideration to support its future sustainability in terms of hardware use and power consumption. Triggered by this, the MAAS project explores the revolutionary secondary use of the sensor node antenna for multiparameter active sensing purposes using sensitive sensing materials deployed on the antenna surface. This eliminates the conventional use of the sensor integrated circuits (ICs) and microcontrollers, and their associated power consumption. The idea is to move the complexity from the sensor node to the computation of the gateway station, where signal processing and machine learning techniques are employed to remotely sense the physical parameters. This is done by detecting changes on the radiation characteristics of the antenna sensor caused by the applied sensing materials. The idea of using the antenna as a multiparameter active sensor is an absolute novelty. If successful, it will reduce the hardware use of a standard sensor node by at least 50% (i.e. no sensor ICs, sampler and processor, and memory will be needed along with their associated power consumption), resulting in more than doubling their battery lifetime. Strategically, the project will strengthen the research-based professional educations and practices within electronics to meet the current and future needs of experts with the new knowledge and the innovation that the project brings. The ambition is to create a new generation of IoT devices that use the antenna not only for radiating electromagnetic waves, but also has a secondary functionality of actively sensing multiple physical parameters (without using sensor ICs and a microprocessor).