Aplikace internetu věcí (IoT) – ať už jde o městskou infrastrukturu, továrny nebo nositelná zařízení – využívají rozsáhlá pole senzorů, které sbírají data pro přenos přes internet do centrálního výpočetního zdroje v cloudu. Analytický software běžící na počítačích v cloudu redukuje obrovské objemy generovaných dat na informace použitelné pro uživatele a příkazy pro akční členy zpět v terénu.

Senzory jsou jedním z klíčových faktorů úspěchu internetu věcí, ale nejedná se o běžné typy, které pouze převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály. Musely se vyvinout v něco sofistikovanějšího, aby mohly plnit technicky a ekonomicky životaschopnou roli v prostředí internetu věcí.

Tento článek přezkoumává očekávání internetu věcí od jeho snímačů – co je třeba udělat, aby se dosáhlo velkého pole snímačů, které je pro internet věcí charakteristické. Poté se zabývá tím, jak výrobci reagovali zdokonalením výroby, větší integrací a vestavěnou inteligencí, což vyvrcholilo v koncepci inteligentních senzorů, které se nyní široce používají.

Ukáže se, že inteligence senzorů kromě usnadnění propojení s IoT vytváří také mnoho dalších výhod souvisejících s prediktivní údržbou, flexibilnější výrobou a vyšší produktivitou.

Co očekává internet věcí od svých senzorů?

Senzory jsou tradičně funkčně jednoduchá zařízení, která převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály nebo změny elektrických vlastností. Ačkoli je tato funkčnost základním výchozím bodem, snímače potřebují přidat následující vlastnosti, aby mohly fungovat jako součásti internetu věcí:

• Nízké náklady, takže je lze ekonomicky nasadit ve velkém množství

• Fyzicky malé, aby nenápadně „zmizely“ v jakémkoli prostředí

• Bezdrátové, protože kabelové připojení obvykle není možné

• Samostatná identifikace a sebeidentifikace

• Velmi nízká spotřeba energie, takže může přežít roky bez výměny baterie, nebo zvládnout pomocí sběru energie

• Robustní, aby se minimalizovala nebo vyloučila údržba

• Samodiagnostický a samoregenerační

• Samokalibrační, nebo přijímá kalibrační příkazy prostřednictvím bezdrátového spojení

• Předběžné zpracování dat, aby se snížilo zatížení bran, PLC a cloudových zdrojů

Informace z více snímačů lze kombinovat a korelovat a vyvozovat závěry o skrytých problémech; například data ze snímače teploty a snímače vibrací lze použít k odhalení počínající mechanické poruchy. V některých případech jsou obě funkce snímače k dispozici v jednom zařízení; v jiných jsou funkce kombinovány v softwaru a vytvářejí „měkký“ snímač.

Odpověď výrobců: Tato část se zabývá chytrými senzory, které byly vyvinuty pro aplikace internetu věcí, a to jak z hlediska jejich stavebních prvků, tak z hlediska jejich výroby, a poté přezkoumává některé výhody, které vyplývají z vestavěné inteligence senzorů, zejména možnosti autodiagnostiky a oprav.

Co obsahuje chytrý senzor a čeho je schopen?“

Přehled očekávání od chytrého senzoru internetu věcí jsme si již udělali, ale jak na ně reagoval průmysl? Co je zabudováno v moderním chytrém senzoru a čeho je schopen?

Chytré senzory jsou zabudovány jako komponenty IoT, které převádějí reálnou veličinu, kterou měří, na digitální datový tok pro přenos do brány. Obrázek 1 ukazuje, jak to dělají. Aplikační algoritmy provádí vestavěná mikroprocesorová jednotka (MPU). Ty mohou provádět filtrování, kompenzaci a jakékoli další úlohy úpravy signálu specifické pro daný proces.

Inteligenci jednotky MPU lze využít i k mnoha dalším funkcím, aby se snížilo zatížení centrálnějších zdrojů IoT; do jednotky MPU lze například posílat kalibrační data, aby byl snímač automaticky nastaven na případné změny ve výrobě. Jednotka MPU může také odhalit jakékoli výrobní parametry, které začnou vybočovat z přijatelných norem, a podle toho generovat varování; operátoři pak mohou přijmout preventivní opatření dříve, než dojde ke katastrofickému selhání.

Pokud je to vhodné, senzor by mohl pracovat v režimu „hlášení na základě výjimky“, kdy odesílá data pouze v případě, že se hodnota měřené veličiny výrazně změní oproti předchozím hodnotám vzorku. Tím se sníží jak zatížení centrálního výpočetního zdroje, tak energetické nároky chytrého snímače – což je obvykle kritická výhoda, protože při absenci připojeného napájení se snímač musí spoléhat na baterii nebo sběr energie.

Pokud chytrý snímač obsahuje dva prvky v sondě, lze do něj zabudovat autodiagnostiku snímače. Jakýkoli vyvíjející se drift na výstupu jednoho z prvků senzoru lze okamžitě detekovat. Navíc v případě úplného selhání senzoru – například v důsledku zkratu – může proces pokračovat druhým měřicím prvkem. Alternativně může sonda obsahovat dva senzory, které pracují společně pro lepší zpětnou vazbu při monitorování.

Chytrý senzor: Praktický příklad

Aplikace vyvinutá společností Texas Instruments představuje praktický příklad inteligentního senzoru a ukazuje, jak jeho stavební prvky spolupracují při generování užitečných informací z analogového měření proudu a teploty a poskytují inteligenci pro další zmíněné funkce. Aplikace využívá variantu z jejich řady MCU MSP430 s velmi nízkou spotřebou k sestavení inteligentního indikátoru poruchy pro elektrické rozvodné sítě.

Při správné instalaci snižují indikátory poruch provozní náklady a přerušení provozu tím, že poskytují informace o porouchaném úseku sítě. Současně zařízení zvyšuje bezpečnost a omezuje poškození zařízení tím, že snižuje potřebu nebezpečných postupů diagnostiky poruch. Indikátory poruch jsou vzhledem ke svému umístění primárně napájeny z baterií, takže je velmi žádoucí i provoz s nízkou spotřebou energie.

Indikátory poruch – které jsou instalovány na křižovatkách nadzemní sítě elektrického vedení – posílají naměřené údaje o teplotě a proudu v přenosových vedeních bezdrátově do koncentrátorů/koncových jednotek namontovaných na sloupech. Koncentrátory používají modem GSM k předávání dat do mobilní sítě, která předává informace v reálném čase hlavní stanici. Hlavní stanice může stejnou datovou cestou také ovládat a provádět diagnostiku indikátorů poruch.

Nepřetržité spojení s hlavní stanicí má několik výhod. První z nich je možnost sledovat poruchové stavy na dálku namísto jejich vyhledávání v terénu. Inteligentní indikátor poruchy může také nepřetržitě monitorovat teplotu a proud, takže řídicí jednotka v hlavní stanici má informace o stavu rozvodné sítě v reálném čase. V souladu s tím mohou poskytovatelé energetických služeb rychle identifikovat místo poruchy, minimalizovat výpadky napájení a dokonce přijmout opatření dříve, než dojde k poruše. Pracovníci v hlavní stanici mohou v požadovaných intervalech spouštět diagnostiku indikátorů poruch a kontrolovat, zda správně fungují.

Na obrázku 2 je funkční blokové schéma takového inteligentního indikátoru poruch založeného na mikrokontroléru (MCU) TI MSP430 s feroelektrickou pamětí s náhodným přístupem (FRAM). Snímač proudu vytváří analogové napětí úměrné proudu v elektrické síti. Operační zesilovač (optický zesilovač) tento napěťový signál zesiluje a filtruje. Analogově-digitální převodník (ADC) v MCU vzorkuje výstup operačního zesilovače. Digitální proud z ADC je pak analyzován softwarem běžícím na CPU nebo akcelerátoru. Výstup optického zesilovače je také připojen ke komparátoru na MCU. Komparátor generuje centrální procesorové jednotce (CPU) v MCU příznak, pokud vstupní úroveň překročí předem stanovený práh.

Výpočetní výkon MSP430 umožňuje analýzu měření proudu ve frekvenční oblasti, která poskytuje hlubší vhled do stavu napájecího vedení než předchozí metody v časové oblasti. Vysoká rychlost čtení a zápisu do paměti FRAM umožňuje akumulaci dat pro analýzu vzorů, zatímco provozní režimy MCU s velmi nízkou spotřebou energie umožňují delší provoz na baterie.

Fabrikace

Pro plné využití potenciálu internetu věcí musí metody výroby senzorů nadále snižovat rozměry, hmotnost, výkon a náklady (SWaP-C) senzorové komponenty a systému. Stejný trend musí platit i pro balení senzorů, které v současné době tvoří až 80 % celkových nákladů a tvaru.

Chytré senzory vznikají, když jsou senzorové prvky mikroelektromechanického systému (MEMS) úzce integrovány s integrovanými obvody CMOS (IC). Tyto integrované obvody zajišťují předpětí zařízení, zesílení signálu a další funkce zpracování signálu. Původně používaná technologie vakuového balení na úrovni waferu (WLVP) zahrnovala pouze diskrétní senzorová zařízení a inteligentní senzory byly realizovány propojením diskrétních čipů MEMS s čipy IC prostřednictvím obalu nebo substrátu desky v přístupu nazývaném integrace více čipů. Vylepšený přístup propojuje IC CMOS a senzorové prvky přímo, bez použití směrovacích vrstev v obalu nebo desce, v konstrukci známé jako systém na čipu (SoC). Ve srovnání s přístupem diskrétního vícečipového balení je SoC obvykle složitější, ale vede ke snížení parazitů, menším rozměrům, vyšší hustotě propojení a nižším nákladům na balení.

Další výhody inteligentních senzorů

Chytré fotoelektrické senzory mohou detekovat vzory ve struktuře objektu a jakékoli jejich změny. Děje se tak autonomně v senzoru, nikoli v žádném externím výpočetním prvku. Tím se zvyšuje propustnost zpracování a snižuje se výpočetní zátěž centrálního procesoru – nebo místního PLC.

Zlepšuje se flexibilita výroby, což je v dnešním konkurenčním prostředí zásadní výhoda. Inteligentní senzory lze dálkově naprogramovat vhodnými parametry pokaždé, když je požadována změna výrobku. Výrobu, kontrolu, balení a expedici lze nastavit i pro velikosti dávek po jednotlivých kusech za cenu sériové výroby, takže každý spotřebitel může obdržet individuální, jedinečný výrobek.

Zpětnou vazbu z lineárních snímačů polohy tradičně ztěžují problémy související se šumem systému, útlumem signálu a dynamikou odezvy. K překonání těchto problémů bylo třeba každý snímač vyladit. Společnost Honeywell nabízí řešení v podobě inteligentních snímačů polohy SPS-L075-HALS. Ty se mohou samy kalibrovat pomocí patentované kombinace ASIC a soustavy MR (magnetickoodporových) senzorů. To přesně a spolehlivě určuje polohu magnetu připevněného k pohybujícím se objektům, jako jsou výtahy, ventily nebo strojní zařízení.

Mřížka MR měří výstup ze snímačů MR namontovaných podél směru pohybu magnetu. Výstup a posloupnost snímačů MR určují nejbližší dvojici snímačů ke středu polohy magnetu. Výstup z této dvojice se pak použije k určení polohy magnetu mezi nimi. Tato bezkontaktní technologie může zajistit zvýšenou životnost a odolnost výrobku při kratších odstávkách. Funkce autodiagnostiky může dále snížit úroveň prostojů.

Tyto senzory také zaškrtávají další požadavky na inteligentní senzory IoT. Jejich malé rozměry umožňují instalaci tam, kde je málo místa, zatímco možnosti krytí IP67 a IP69K umožňují nasazení v náročných podmínkách. Jsou dostatečně chytré na to, aby nahradily několik komponent snímačů a spínačů spolu s další kabeláží, externími komponenty a přípojkami, které byly také dříve potřeba. Senzory se používají v leteckých, lékařských a průmyslových aplikacích.

Chytré senzory se schopností autodiagnostiky a oprav

Chytré senzory se mohou dobře uplatnit i v bezpečnostně kritických aplikacích, jako je detekce nebezpečných plynů, požáru nebo narušitelů. Podmínky v těchto prostředích mohou být drsné a senzory mohou být obtížně přístupné pro údržbu nebo výměnu baterií, přesto je vysoká spolehlivost kritická. Tým z výzkumného centra Lab-STICC University of South-Brittany vyvíjí řešení, které zvyšuje spolehlivost použitím duálních sond a hardwaru, který se dokáže sám diagnostikovat a opravit.

Konečným cílem jejich projektu je integrovat všechny popsané prvky do jediného diskrétního zařízení, vhodného pro aplikace, jako je detekce nebezpečných plynů v oblastech, jako jsou přístavy nebo sklady. Projekt se soustředí na uzel, který dokáže přesně určit vnitřní poruchu a přijmout nápravná opatření, aby se zvýšila spolehlivost i energetická účinnost. Tím se snižuje zranitelnost uzlu a snižují se náklady na údržbu. Návrh si uvědomuje omezení takových snímačů: omezená autonomie baterií, sběr energie podléhající nespolehlivému chování zdroje energie, omezené zdroje pro zpracování a ukládání dat a potřeba bezdrátové komunikace.

Uzel je vybaven dvěma senzory; při běžném provozu první snímá údaje o prostředí, zatímco druhý je aktivován pouze uživateli k ověření získaných údajů. Pokud by první snímač selhal, spolehlivost uzlu se sníží, přičemž energie z baterie se plýtvá na napájení nefunkčního snímače. Pokud však uzel odpojí první senzor a přepne na druhý, nedochází k plýtvání energií a spolehlivost uzlu je zachována.

Cílem projektu bylo vyvinout novou autodiagnostiku založenou na funkčních a fyzikálních testech, která by odhalila selhání hardwaru jakékoli součásti bezdrátového senzorového uzlu. Tato metoda dokáže přesně určit, která součást uzlu selhala, a indikovat vhodné nápravné opatření.

Obrázek 3 ukazuje hardwarovou konfiguraci samoregenerovatelného senzorového uzlu. Jeho součásti zahrnují procesor, paměť RAM/FLASH, rozhraní pro akční členy a senzory (IAS) pro rozhraní s okolím, modul rádiového vysílače (RTM) pro vysílání a příjem dat a baterii s napájecími spínači (měniče DC-DC). Uzel rovněž obsahuje správce napájení a dostupnosti (PAM) v kombinaci se zónou konfigurovatelnou pomocí FPGA. První z nich je považována za inteligentní část pro co nejlepší využití energie, autodiagnostiku a odolnost proti poruchám, zatímco druhá zvyšuje dostupnost senzorového uzlu.

Tabulka na obrázku 4 ukazuje, jak může senzorový uzel reagovat na různé problémy uzlu. FPGA obsahuje softcore procesor 8051, který se aktivuje v případě potřeby zvýšení výkonu nebo jako náhrada hlavního procesoru v případě jeho selhání. FPGA je typ Actel IGL00V2, který byl vybrán pro svou spolehlivost a nízkou spotřebu energie. Zbytek uzlu tvoří procesor PIC, paměť RAM, modul rádiového vysílače Miwi, dva detektory plynu Oldham OLCT 80, výkonové spínače LM3100 a MAX618 a baterie.

Závěr

V tomto článku jsme se seznámili s tím, jak výrobci čipů a výzkumníci reagují na potřebu inteligentních senzorů pro internet věcí. Částečně se jednalo o přidání inteligence a komunikačních schopností k základní funkci snímače, ale také o zdokonalení výroby. Integrací prvků snímačů MEMS a výpočetních komponent CMOS na jediném substrátu lze realizovat inteligentní snímače v malých a levných pouzdrech, které lze zabudovat do aplikací s omezeným prostorem a odolností vůči jejich okolním podmínkám.

Konstruktéři internetu věcí tak mohou získat snímače, které potřebují – malé, levné, odolné a s dostatečně nízkou spotřebou pro všudypřítomné nasazení, přičemž mají inteligenci, aby poskytovaly užitečné informace i surová data. Usnadňují také flexibilnější, granulární automatizaci, protože mohou přijímat příchozí příkazy k rekalibraci, aby se přizpůsobily změnám ve výrobě.

Na tomto článku se podílel Newark element 14, Chicago, IL. Pro více informací klikněte zde .

.