Na styku elektroniki, telekomunikacji i informatyki powstał internet rzeczy. Głównym celem tej nowej dziedziny techniki jest przesunięcie części pracy ludzkiej na urządzenia. Rozwój internetu rzeczy mógł zaistnieć dzięki postępom w produkcji zminiaturyzowanych cyfrowych układów scalonych zwanych mikrokontrolerami. Jeszcze częściej dla ich określenia używa się słowa „chip”. Obecnie skrót IoT (Internet of things), od angielskiej nazwy: internet rzeczy, jest w krajach zachodnich jedną z lepiej rozpoznawalnych powszechnie nazw. Inaczej jest w Polsce, dlatego warto bliżej się przyjrzeć internetowi rzeczy. Ale zacznijmy od początku...

Na krzemowej płytce

Procesor komputera to ta jego część, która wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne. Jeżeli jest ona wykonana na jednej płytce krzemowej, wówczas nazywamy ją mikroprocesorem. Mikrokontroler ma jeszcze na tej samej płytce pamięć i układy służące do porozumiewania się z otoczeniem. Mówiąc inaczej – służy do wysyłania i odbioru informacji do zewnętrznych urządzeń i z nich.

Pierwsze mikroprocesory powstały już na początku lat 70. XX wieku, a wiodącą w tym rolę odgrywała amerykańska firma Intel z kalifornijskiej Doliny Krzemowej. Miały one 2,3 tys. tranzystorów – elementarnych cegiełek, z których składają się wszystkie układy scalone. Współczesne mikrokontrolery mają już ponad 20 mld tranzystorów i produkowane są w wielu krajach świata (największa ilość na Tajwanie). Jak ważna jest to dziedzina produkcji, przekonujemy się właśnie dzisiaj, kiedy nie przebiega ona tak płynnie jak przed pandemią COVID-19.

Wytwarzanie mikroprocesorów jest obecnie jedną z najbardziej skomplikowanych i najtrudniejszych technologii. Wymaga olbrzymiej ilości materiałów i odczynników. Brak nawet jednego z nich, potrzebnego choćby w mikroskopijnej ilości, uniemożliwia produkcję. W krajach Dalekiego Wschodu, gdzie obostrzenia epidemiologiczne są daleko idące, wytwarzanie mikroprocesorów zostało znacząco spowolnione. Najbardziej widocznym tego rezultatem są place przed fabrykami samochodów pełne maszyn, które czekają tylko na mikrokontrolery. Współczesny samochód może potrzebować bowiem stu i więcej chipów. Bazą do ich produkcji jest płytka z monokryształu krzemu. I tu pojawia się wątek polski. Otóż sposób produkcji monokryształów został odkryty w 1916 r. przez profesora Politechniki Warszawskiej Jana Czochralskiego.

Dialog przedmiotów

Pomysł sieci inteligentnych urządzeń narodził się już w 1982 r., czyli wtedy, kiedy internet dopiero powstawał. Pierwszym urządzeniem podłączonym do ówczesnej rozległej akademickiej sieci komputerowej w USA stał się automat do sprzedawania coca-coli na Uniwersytecie Carnegie Mellon. Był on w stanie zgłaszać ilość zapasów, a także informować dystrybutora, czy nowo załadowane puszki są dostatecznie zimne. „Na poważnie” technika ta zaistniała jednak dopiero w naszym stuleciu i już po 10 latach, ok. 2010 r., liczba przedmiotów wymieniających ze sobą informacje była większa niż ludzi korzystających z internetu.

Obecnie zastosowania internetu rzeczy można podzielić na kilka umownych kategorii o następujących przeznaczeniach: infrastrukturalne, domowe, osobiste, handlowe i przemysłowe. Zastosowania infrastrukturalne to też odpowiedź na kryzys energetyczny, który dotyka dziś świat. Sposobem na oszczędzanie energii są systemy zarządzania budynkami (BMS). Dają one możliwość nadzorowania i regulacji wszystkich instalacji znajdujących się w budynku, tj.: grzewczych, oświetleniowych, alarmowych, wentylacyjnych czy klimatyzacyjnych. Systemy BMS są zakładane głównie w szpitalach, biurowcach, halach fabrycznych, a w zamożnych krajach zachodnich – także w domach prywatnych. Mówimy też o nich jako o inteligentnych budynkach.

Pozostają jeszcze zastosowania militarne. Tutaj jednak trzeba się ograniczyć do stwierdzenia, że broń, której wytworzenie umożliwiają współczesne układy wielkiej skali integracji, może mieć znaczenie strategiczne równe nuklearnym arsenałom.

Mikrokontrolery wokół nas

Już od wielu lat sprzęty gospodarstwa domowego mogą wezwać serwis bez udziału ich użytkownika – np. kiedy czujniki wmontowane w pralce automatycznej rejestrują zbyt wysoką temperaturę obwodów elektrycznych, przez domowe łącze internetowe informują serwis o konieczności naprawy. Podobnie lodówka potrafi zamówić dostawę artykułów pierwszej potrzeby w chwili, kiedy ciężar półek spadł poniżej określonej minimalnej wartości. W Polsce usługi tego rodzaju jeszcze nie są świadczone, ale w wielu krajach system ten funkcjonuje już od dawna. Mikrokontrolery czasem nosimy na ręku jako tzw. inteligentne zegarki (smartwatche). Mają one wiele funkcji, m.in. kontrolują stan organizmu swojego użytkownika podczas treningu sportowego.

Wartość urządzeń wyposażonych w komputerową inteligencję najbardziej docenia się jednak w sytuacjach ekstremalnych. Przez kilka lat opiekowałem się osobą korzystającą z pomocy niezbędnego jej do życia respiratora. Urządzenie to potrafiło, odgadując kolejne fazy naturalnego oddechu chorego, wprowadzić dodatkową porcję powietrza do jego płuc w tej jedynej właściwej chwili. W momentach zagrożenia życia mogłem też być pewien alarmu.

W polu i na ulicy

Producenci miodu, aby zapewnić pszczołom lepsze warunki zbierania nektaru, mają zwyczaj przewozić ule w pobliże wrzosowisk, pól rzepaku czy alei lipowych. Niekiedy miejsca te są oddalone od domu pszczelarza o dziesiątki kilometrów i na sprawdzenie, czy plastry są już pełne miodu, potrzebuje on wiele czasu. Można jednak ustawić ul na wadze cyfrowej, która jego ciężar przekazuje przez sieć. Urządzenia są zasilane z ogniw fotowoltaicznych położonych na dachu ula. Takie systemy już istnieją. Podobne rozwiązania stosuje się do monitorowania stanu lasu, wilgotności gleby i ściółki, informują one też służby o zagrożeniu pożarem.

Innym obszarem zastosowań internetu rzeczy jest ulica. Niekiedy dziwi nas bardzo jasne oświetlenie prawie pustych ulic. W obecnie stosowanych rozwiązaniach światła uliczne mogą być ustawione na poziomie minimalnym, dopiero nadjeżdżające auto powoduje, że latarnie świecą pełnym blaskiem.

Największa zmiana może czekać same pojazdy. W San Francisco w USA samoprowadzące się auta weszły już w fazę testową w ruchu ulicznym. Producentem tych samochodów jest firma Waymo, a „zaufanymi testerami” są jej pracownicy, którzy na co dzień korzystają z tego wynalazku.

Zastosowania mikroukładów elektronicznych już dawno przekroczyły wizje fantastów i bajkopisarzy. Staramy się nadążyć za rozwojem urządzeń z komputerowym mózgiem. Żyje się nam łatwiej, ale czy przez to jesteśmy lepsi i szczęśliwsi? To pytanie pozostawię bez odpowiedzi.