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）实时开发的关键功能之一环境监测，这可以通过无线传感器网络（WSN）实现它。WSN由大量分布在环境中的传感器节点组成，向控制物联网网络报告。传感器节点可以测量温度、湿度、光强、振动和气体等多种类型的环境数据。一旦传感器节点相关信息如果传输到基站，控制物联网网络将对这些数据进行评估，必要时采取行动。
WSN在智能农业，智能家居、智能基础设施、极端环境监测和智能制造都有重要的应用。这些系统可以推广的更广泛的目标之一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。虽然制造WSN节点的制造工艺很多，但增材制造是其中特别有吸引力的工艺之一。该技术非常适合构建具有多个节点的WSN，增材制造是制造小型化、低成本设备的可靠和可扩展的方法。原型制造可以快速、低成本地制造。由于增材制造涉及沉积材料，而不是像减材制造那样用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。
添加剂制造是一种广泛使用的技术，已用于制造可用于WSN传感节点的各种组件。添加剂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、气体和铅含量。添加剂制造技术也可用于制造天线、RFID标签和射频反向散射前端系统等。由于这些组件是单独开发的，为了实际应用于完全添加剂制造的WSN，需要进行集成研究。
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：足够标准化，使所有传感器节点都能采用单一工艺制造；并具有足够的灵活性，为广泛的应用设计不同的传感器节点。
根据麦姆斯的咨询，佐治亚理工学院的研究人员提出了一个WSN集成平台，提供了一个“即插即用”的解决方案，可以使用单一的制造过程来选择和组合不同的添加剂制造组件。该方案旨在解决当前集成方法的不足。该研究结果已发表在Scien上tific Reports期刊。
本研究为物联网应用提供了一个全集成、全印刷的无线传感器节点。本研究生产的概念验证节点布置在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主要部件组成，均采用添加剂制造工艺，包括：电阻式温度传感器、基带电路、反向散射前端和天线。研究人员建议，在不重新设计整个平台的情况下，将所有这些组件视为模块化组件，可以根据不同的设计目标进行更换。
鉴于WSN应用程序的多样性，这被称为“魔方”（magic cube）“这个平台显示出明显的优势。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，为设备制作新组件的原型，无需开发新的制造工艺。此外，该方法还可以直接打印和制造设备的多个部分作为一个完全集成的单元。与以往的方法相比，该平台及其“即插即用”方法可以设计和生产更多种类的传感器节点，开发速度更快。
对无线传感器网络的需求。（a）实际应用无线传感器网络；（b）模块化魔方平台的优势。
制造“魔方”平台的过程
该平台为连续生产全集成、全印刷的无线传感器节点打开了大门。为了充分利用该平台的优势，必须使用给定的制造工艺来开发其他部件。这可以包括传感器、天线电源以及任何可以为设备增加额外功能的组件。特别值得注意的是，用能量收集系统代替太阳能电池将使设备在没有足够光线的环境中工作。此外，它还可以使用更复杂的基础微处理器该设计取代了简单的反向散射前端。这些进一步的发展将将本文提出的概念验证方法转变为商业上可行和可实施的平台。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49130-0
审核编辑：刘清
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