Uma equipe de pesquisadores da Washington University em St. Louis é a primeira a registrar com sucesso dados ambientais usando um ressonador de sensor fotônico sem fio com uma arquitetura de modo de galeria silenciosa (WGM).

Os sensores fotônicos registraram dados durante a primavera de 2017 em dois cenários:um era uma medição em tempo real da temperatura do ar ao longo de 12 horas, e o outro era um mapeamento aéreo da distribuição de temperatura com um sensor montado em um drone em um parque da cidade de St. Louis. Ambas as medições foram acompanhadas por um termômetro comercial com conexão Bluetooth para fins de comparação. Os dados dos dois se comparam muito favoravelmente.

No grande mundo da "internet das coisas" (IoT), há um grande número de sensores sem fio espacialmente distribuídos, predominantemente baseados em eletrônicos. Esses dispositivos muitas vezes são prejudicados por interferência eletromagnética, como sinais de áudio ou visuais perturbados causados ​​por um avião voando baixo e um moedor de cozinha causando ruído indesejado em um rádio.

Mas os sensores ópticos são "imunes à interferência eletromagnética e podem fornecer uma vantagem significativa em ambientes hostis, "disse Lan Yang, o professor Edwin H. e Florence G. Skinner de Engenharia Elétrica e de Sistemas na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, que liderou o estudo a partir do qual as descobertas foram publicadas em 5 de setembro em Luz:Ciência e Aplicações .

"Sensores ópticos baseados em ressonadores mostram pequenas pegadas, extrema sensibilidade e uma série de funcionalidades, tudo isso confere capacidade e flexibilidade aos sensores sem fio, "Yang disse." Nosso trabalho pode abrir caminho para a aplicação em larga escala de sensores WGM em toda a Internet. "

O sensor de Yang pertence a uma categoria chamada ressonadores do modo galeria sussurrante, assim chamados porque funcionam como a famosa galeria de sussurros da Catedral de São Paulo em Londres, onde alguém de um lado da cúpula pode ouvir uma mensagem falada para a parede por alguém do outro lado. Ao contrário da cúpula, que tem ressonâncias ou pontos ideais na faixa audível, o sensor ressoa em frequências de luz e também em frequências vibracionais ou mecânicas, como Yang e seus colaboradores mostraram recentemente.

"Em contraste com os equipamentos de laboratório existentes do tamanho de uma mesa, a placa-mãe do sensor WGM tem meros 127 milímetros por 67 milímetros - cerca de 5 polegadas por 2,5 polegadas - e integra toda a arquitetura do sistema do sensor, "disse Xiangyi Xu, o primeiro autor do artigo e um estudante de graduação no laboratório de Yang. "O sensor em si é feito de vidro e tem o tamanho de apenas um fio de cabelo humano; ele é conectado à placa-mãe por uma única fibra óptica. Uma luz laser é usada para sondar um sensor WGM. A luz acoplada do sensor é enviada para um fotodetector com um amplificador de transmissão. Um processador controla periféricos, como a unidade de corrente do laser, circuito de monitoramento, refrigerador termoelétrico e unidade Wi-Fi, "Xu disse.

Em seu WGM, a luz se propaga ao longo da borda circular de uma estrutura por reflexão interna constante. Dentro da borda circular, a luz gira 1 milhão de vezes. Sobre aquele espaço, ondas de luz detectam mudanças ambientais, como temperatura e umidade, por exemplo. O nó sensor é monitorado por um aplicativo de sistema operacional personalizado que controla o sistema remoto e coleta e analisa os sinais de detecção.

Sensores sem fio, seja eletrônico ou fotônico (baseado em luz), pode monitorar fatores ambientais como umidade, temperatura e pressão do ar. Os aplicativos para sensores sem fio abrangem monitoramento ambiental e de saúde, práticas agrícolas de precisão e coleta de dados de cidades inteligentes, entre outras possibilidades. Cidades inteligentes são cidades conectadas impulsionadas pela coleta de dados da Internet. A agricultura de precisão usa sistemas de informação geográfica digitalizados para práticas agrícolas de precisão, como mapeamento de solo, que permite aplicações precisas de fertilizantes e produtos químicos e a escolha da seleção de sementes para uma agricultura mais eficiente e lucrativa.

Yang e seus colegas tiveram que resolver problemas de estabilidade, que foram gerenciados pelo aplicativo de sistemas operacionais personalizados que desenvolveram, e miniaturização de sistemas volumosos de medição de laboratório.

“Desenvolvemos um aplicativo de smartphone para controlar o sistema de detecção por WiFi, "Disse Yang." Ao conectar o sistema de sensores à Internet, podemos realizar o controle remoto em tempo real do sistema. "

Em junho de 2017, Yang e seu grupo montaram todo o sistema na parede externa de um edifício e acumularam um gráfico da mudança de frequência da ressonância. Eles compararam seus dados com o termômetro comercial.

"Graças ao seu pequeno tamanho, a capacidade e flexibilidade dos sensores fotônicos sem fio podem ser melhorados tornando-os móveis, "Yang disse.

Os pesquisadores também montaram seu sistema em um drone não tripulado em maio de 2017 ao lado do termômetro comercial. Quando o drone voou de um local de medição para outro, a frequência de ressonância do WGM mudou em resposta às variações de temperatura.

"As medições combinaram bem com os resultados do termômetro comercial, "ela disse." As demonstrações bem-sucedidas mostram as aplicações potenciais de nosso sensor WGM sem fio na IoT. Existem inúmeras aplicações de detecção promissoras possíveis com a tecnologia WGM, incluindo magnético, acústico, sensoriamento ambiental e médico. "

A miniaturização dos sistemas de detecção do ressonador representa uma oportunidade empolgante para a IoT, pois permitirá que a IoT explore uma nova classe de sensores fotônicos com sensibilidade e recursos sem precedentes, "disse Chenyang Lu, o Professor Fullgraf do Departamento de Ciência da Computação e Engenharia e co-autor do artigo.