Wat er komt kijken bij onderzoek naar IoT sensoren

Internet of Water Flanders gaat over heel Vlaanderen de waterkwaliteit beter in kaart brengen. Daarvoor ontwikkelt imec sensoren die goedkoper zijn en meer mogelijkheden hebben dan wat op de markt bestaat. Enkele niet te voorziene uitdagingen bij de eerste testen leidden tot een verbeterd plan om van onderzoek naar product te gaan. 

Vier jaar tijd geeft het Internet of Water Flanders consortium zichzelf om te bewijzen dat een fijnmazig netwerk om continue waterkwaliteit te meten kan helpen om beleidsbeslissingen te nemen over waterbeheer. Een belangrijk radertje in het te ontwikkelen systeem zijn de imec sensoren die over heel Vlaanderen zullen uitgerold worden in grond– en oppervlaktewater. Aan het einde van het eerste projectjaar zijn de eerste prototypes te water gelaten. Met wisselend succes, want de realiteit in het veld blijkt vaak weerbarstiger dan de conclusies in het lab. Marcel Zevenbergen, programmamanager bij imec, gunt ons een blik in de interne keuken en legt uit wat er komt kijken bij de overstap van een onderzoeksomgeving naar robuuste toepassing. 

Kan je nog even kort uitleggen wat het IoW Flanders project precies is? 

Marcel Zevenbergen: “Internet of Water Flanders is een samenwerking tussen imec, VITO, Vlaams Kenniscentrum Water (VLAKWA), Vlaamse Milieumaatschappij (VMM), De Watergroep en Aquafin, met de steun van het Agentschap voor Innovatie en Ondernemerschap (VLAIO). Het is een vierjarig project waarmee Vlaanderen voorloper wil worden in het meten en opvolgen van verschillende aspecten van waterkwaliteit. Om dat te realiseren, stelt het project zich tot doel om een uitgebreider en fijnmaziger meetnetwerk uit te rollen wat bijvoorbeeld elke vijftien minuten de meest actuele gegevens kan doorsturen. Straks moeten sensoren over heel Vlaanderen een aantal basisparameters van de waterkwaliteit meten in grond- en oppervlaktewater. Aangevuld met alle andere technologie zoals voor data transfer, voorspellende modellen en IoT platformen. En de nodige processen voor de installatie en onderhoud. Met in eerste instantie een focus op het meten van verzilting en lozingen in oppervlaktewater. 

En de sensoren zorgt imec voor? 

Marcel Zevenbergen: “Imec ontwikkelt sensoren die specifiek voor IoW Flanders kunnen ingezet worden. In theorie is het consortium vrij om eender welke sensoren te gebruiken. Maar de sensoren die momenteel op de markt zijn, hebben – hoewel ze heel betrouwbaar zijn – twee belangrijke nadelen. Ten eerste zijn ze in aankoop duurder dan de prijs waarvoor we ze zelf kunnen maken. En ten tweede kunnen we aan onze eigen sensoren bepaalde functies toevoegen die niet altijd ingebouwd zitten in commerciële oplossingen. Zo is het haast onmogelijk om een betaalbare sensor te vinden die over een lange periode betrouwbaar nitraat kan meten in water, wat een belangrijke doelstelling is in het project. Voornamelijk om die twee redenen, prijs en functionaliteit, is er binnen het consortium voor gekozen om in te zetten op de ontwikkeling van eigen sensoren. We zijn met andere woorden intern de uitdaging aangegaan om een uniek product te bouwen wat momenteel nog niet bestaat en bovendien voldoende robuust isHet is de verantwoordelijkheid van imec om de sensoren op een punt te brengen waarop ze door een of meerdere commerciële partijen in de nodige aantallen gemaakt, geïmplementeerd en beheerd kunnen worden.” 

Want op dat punt zijn ze nu nog niet? 

Marcel Zevenbergen: “Nee. Imec is een onderzoekscentrum, dus de sensoren die wij in de vroege fases van ontwikkeling gebruiken zijn nog niet ontworpen met de onderdelen en productieprocessen die je nodig hebt om grote aantallen te produceren. Zo kan het zijn dat we in onze prototypes in het lab nog netstroom gebruiken terwijl de uiteindelijke sensor op een batterij moet werken. Of assembleren we een klein aantal sensoren met de hand waar de uiteindelijke sensoren compatibel moeten zijn met industriële assemblage. Daarom maken we in het project de stap om sensoren te ontwerpen die wél voldoen aan de eisen voor industriële productieHet aantonen van toepasbaarheid in de industrie is voor imec sowieso een vereiste om de relevantie van het onderzoek te bewaken. Dus pas als de sensor naar behoren werkt, gaan we er grotere aantallen van produceren. 

Maar bij die overstap van onderzoek naar productie komt heel wat kijken ? 

Marcel Zevenbergen: “Het zijn twee takken van sport. De sensoren waarmee we dit traject zijn ingegaan zijn opgebouwd uit onderdelen die nog volop in ontwikkeling zijn en waarvan we er vaak maar een klein aantal hebben. Daaruit bouwen we dan een systeem wat in gecontroleerde omstandigheden kan werken. Met die prototype sensoren hadden we aangetoond dat je voor meerdere maanden metingen kan uitvoeren in bepaalde types oppervlaktewater. En dat gaf het vertrouwen om de verdere ontwikkeling in te zetten. De sensoren voor het IoW Flanders project moeten volledig zelfstandig voor langere periode betrouwbaar werken in een ongecontroleerde omgeving. Het is logisch dat je dan meer robuuste onderdelen en assemblageprocessennodig hebt. En moet voldoen aan alle eisen qua laag vermogensverbruik, draadloze communicatie enz. En tenslotte moeten we nagaan hoe de sensor zich gedraagt in de uiteindelijke toepassing; met variabele omstandigheden die zich buiten de limieten kunnen bevinden van wat we vooraf hebben kunnen testen.” 

Kan je een concreet voorbeeld geven van een onverwachte uitdaging in het IoW traject? 

Marcel Zevenbergen: “Het voorbije jaar zijn er al twee belangrijke leerpunten geweest voor ons. Een eerste was helemaal bij het begin toen we de eerste sensoren te water lieten. Een van de connectoren die we hadden aangekocht, bleek op grotere dieptes over een langere termijn niet zo waterbestendig als door de specificaties van de fabrikant werd aangegeven. Een tweede onvoorziene complicatie deed zich ongeveer een half jaar later voor. Toen bleek dat de kabel van de sensor naar het zendstation een elektrische interferentie veroorzaakte die de metingen van de sensor verstoorde.” 

Een lekkende connector of storende kabel lijken toch zaken die eenvoudig verholpen kunnen worden? 

Marcel Zevenbergen: “Zo gemakkelijk is het niet. Het is soms even zoeken naar een gepaste oplossingVoor de ‘lekkende’ connector hebben we een waterkolom van vijf meter (foto) diep in ons laboratorium geïnstalleerd om connectoren te testen die wel voor langere tijd waterdicht bleven op deze dieptes.  En bij het probleem met de kabel kwam nog wat meer onderzoek kijken. Je merkt op dat moment namelijk enkel een afwijkende meting en hebt geen idee waar die vandaan komt. We moesten dus veel parameters onderzoeken: de sensor zelf, de omgeving waarin hij is geplaatst, de randapparatuur… . Uiteindelijk bleek het dus de kabel te zijn die een klein elektrisch signaal produceerde wat – in combinatie met de instelling van onze sensor en de zoutconcentraties van het water – voor problemen zorgde. Nu we de kabel op een andere manier verbinden met de sensormodule lijkt het interferentieprobleem opgelost. 

Bovendien ben je onderdeel van een groter geheel. De sensor is maar een stukje van de IoW Flanders puzzel. Op het moment dat wij een sensor in het water laten, staan er dus ook een hele reeks andere partijen klaar om hun deel van de oplossing te testen. En als zo’n sensor dan niet naar behoren werkt, kan je ook die andere onderdelen niet of onvoldoende testen en ontwikkelen. Een banaal probleem van een connector of kabel heeft verstrekkende gevolgen voor de andere partners en de algemene planning.” 

Is de planning van het project bijgestuurd? 

Marcel Zevenbergen: “We hebben inderdaad een kleine vertraging opgelopen op de oorspronkelijke plannen. We zijn aan het onderzoeken of we voorlopig een klein aantal commerciële sensoren kunnen inzetten. Die zijn duurder en hebben niet alle gewenste functionaliteit, maar zouden voorlopig kunnen volstaan om de partners die verderop in de keten zitten in elk geval ook hun deel van de oplossing te laten ontwikkelen (zoals analyses en voorspellende modellen)Daarnaast hebben we zelf ook lessen geleerd om meerdere versies van onze sensor te ontwikkelen en testen. Zo hebben we nu één versie met de inmiddels robuuste functionaliteit voor het meten van verzilting en een versie met de nog experimentele functionaliteit voor nitraatmeting. Voor versie 3 kunnen we bijvoorbeeld wachten tot we een robuuste nitraatmeting hebben en die combineren met weer een andere experimentele functie of instelling. Op die manier kunnen we veel sneller leren en hebben we tegelijkertijd een bepaalde functionaliteit die al uitontwikkeld is. Ook krijgt de technologie die we voor het IoW Flanders project ontwikkelen al interesse vanuit andere sectoren, zoals het meten van drinkwater en het monitoren van bioreactoren voor bijvoorbeeld de productie van medicijnen. Dus ook vanuit dat oogpunt is het handig om meerdere versies te hebben die je in verschillende sectoren kan testen. 

 

Marcel Zevenbergen leidt als programma manager bij imec en OnePlanet de geavanceerde sensorontwikkelingen voor toepassingen gaande van precisielandbouw over waterkwaliteit meten tot het monitoren van bioreactoren. Aan de TU Delft behaalde hij zijn Msc in 2005 en een PhD in 2009. Nadien startte hij bij imec Nederland waar hij nieuwe sensorplatformen ontwikkelt in nauwe samenwerking met industriële partners. 

Dank je voor je inschrijving!