Stel iemand wil kwaad en vaart met een klein onderwatervaartuig geladen met een bom de Rotterdamse haven binnen. Volgens promovendus Koen Blom (uit de vakgroep Computer Architecture for Embedded Systems) is de bewaking onder het wateroppervlak nu zeer beperkt. ‘Terwijl het voor een grote haven heel belangrijk is een monitoringsysteem te hebben. Een draadloos onderwater-sensornetwerk kan erg nuttig zijn.’
Samen met aio’s Saifullah Amir (Integrated Circuit Design) en Wouter van Kleunen (Pervasive Systems) werkt hij aan een netwerk waarbij meerdere sensoren op de zeebodem ligge, die draadloos met elkaar kunnen communiceren en informatie naar een ontvanger boven water kunnen sturen. ‘Niet direct op kilometers diepte. Ons eerste doel is het ontwikkelen van een werkend systeem tot honderd meter onder water, in een gebied van twee vierkante kilometer’, aldus Blom. Dit zogeheten SeaSTAR-project wordt gefinancierd door technologiestichting STW.
Draadloos communiceren onder water scheelt duizenden kilometers dure bekabeling en onderhoud daaraan. Makkelijk is het echter niet. Radiogolven (die op het droge gebruikt worden) planten zich in water slecht voort en daarom moet gebruik gemaakt worden van akoestische golven met lage frequenties. Van Kleunen: ‘Om data van continent naar continent te versturen zit je op hoogstens 1 kilohertz. Voor ons prototype gebruiken we 30-40 kilohertz.’
Die frequentie is gekozen om een ander probleem het hoofd te bieden. ‘Bij akoestische golven heb je veel last van stoorzenders in de omgeving’, legt Amir uit. ‘In de haven varen schepen voorbij, die zorgen voor achtergrondgeluid. Het is gebleken dat bij een frequentie van tussen de 30 en 40 kilohertz die ruis het minst de communicatie beïnvloedt.’
Een derde groot probleem van draadloze communicatie onder water is dat de geluidsgolven reflecteren op de bodem en het wateroppervlak. ‘Bij radiogolven komen signaal en reflecties kort na elkaar aan door de veel hogere voortplantingssnelheid. Maar bij akoestische golven kan het zijn dat je de reflecties binnenkrijgt met vertraging van 100 milliseconden’, zegt Blom. ‘Als de hoeveelheid data toeneemt, wordt het steeds lastiger het gewenste signaal van de reflecties te onderscheiden. En je wilt natuurlijk zoveel mogelijk data versturen.’ Echt grote hoeveelheden data lijken trouwens niet haalbaar. ‘Tien, misschien honderd kilobits per seconde zou al veel zijn’, aldus Van Kleunen. ‘Daarmee kun je geen video streamen, hoogstens losse beelden in zwart-wit.’
Elk van de drie promovendi houdt zich met een ander probleem bezig. Amir: ‘De sensoren hebben hoge voltages nodig, maar ze moeten werken op een kleine accu. Daarvoor moet een efficiënte versterker worden ontwikkeld .’ Blom: ‘Ik onderzoek het transport van de data. Je verstuurt het signaal, maar tijdens de overdracht vindt verstoring plaats door onder andere reflecties of een passerend schip. Hoe zorg je dan dat de ontvanger dat weer terugvertaalt naar het originele signaal.’ Van Kleunen: ‘Ik hou me bezig met de netwerkprotocollen, de tijdsynchronisatie en de positiebepalingen van alle nodes (knooppunten met een sensor) in het netwerk. Hoe zorg je dat al die nodes efficient met elkaar communiceren? Bijvoorbeeld: hoe verzamel je alle informatie op een centraal punt?’
In de watergoot op het O&O-plein en ook in de vijvers bij de Faculty Club hebben ze al met enkele sensoren testen gedaan. Naast een beveiligingssysteem in havens, zien de drie onderzoekers ook toepassingen voor het monitoren van oliepijpleidingen en het meten van seismische effecten bij olieboringen. Ook kun je temperatuurveranderingen meten in koraalriffen om zo een beeld te krijgen van de opwarming van de aarde.
Bij de foto: Wouter van Kleunen, Saifullah Amir en Koen Blom (v.l.n.r.) bereiden een test voor met onderwatercommunicatie op het O&O-plein. Foto: Arjan Reef.
