Internet der Dinge (IoT)-Anwendungen – sei es für städtische Infrastrukturen, Fabriken oder tragbare Geräte – verwenden große Arrays von Sensoren, die Daten zur Übertragung über das Internet an eine zentrale, cloudbasierte Rechenressource sammeln. Auf den Cloud-Computern läuft Analysesoftware, die die riesigen Datenmengen in verwertbare Informationen für die Nutzer und Befehle für die Aktoren vor Ort umwandelt.

Sensoren sind ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des IoT, aber es handelt sich nicht um herkömmliche Typen, die einfach physikalische Variablen in elektrische Signale umwandeln. Sie mussten sich zu etwas Anspruchsvollerem entwickeln, um in der IoT-Umgebung eine technisch und wirtschaftlich tragfähige Rolle zu spielen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Erwartungen des IoT an seine Sensoren – was getan werden muss, um die für das IoT charakteristische große Sensoranordnung zu erreichen. Anschließend wird darauf eingegangen, wie die Hersteller mit Verbesserungen bei der Herstellung, mehr Integration und eingebauter Intelligenz reagiert haben, was in dem Konzept der heute weit verbreiteten intelligenten Sensoren gipfelte.

Es wird deutlich, dass die Sensorintelligenz nicht nur die IoT-Konnektivität erleichtert, sondern auch viele weitere Vorteile im Zusammenhang mit der vorausschauenden Wartung, flexibleren Fertigung und verbesserten Produktivität schafft.

Was erwartet das IoT von seinen Sensoren?

Sensoren sind traditionell funktionell einfache Geräte, die physikalische Variablen in elektrische Signale oder Änderungen der elektrischen Eigenschaften umwandeln. Während diese Funktionalität ein wesentlicher Ausgangspunkt ist, müssen Sensoren die folgenden Eigenschaften hinzufügen, um als IoT-Komponenten zu funktionieren:

• Geringe Kosten, damit sie wirtschaftlich in großer Zahl eingesetzt werden können

• Physikalisch klein, um unauffällig in jeder Umgebung zu „verschwinden“

• Kabellos, da eine kabelgebundene Verbindung in der Regel nicht möglich ist

• Selbstidentifikation und Selbstvalidierung

• Sehr geringer Stromverbrauch, so dass er jahrelang ohne Batteriewechsel auskommen kann, oder mit Energy Harvesting auskommen

• Robust, um die Wartung zu minimieren oder zu eliminieren

• Selbstdiagnose und Selbstheilung

• Selbstkalibrierung, oder akzeptiert Kalibrierungsbefehle über eine drahtlose Verbindung

• Datenvorverarbeitung, um die Belastung von Gateways, SPSen und Cloud-Ressourcen zu verringern

Informationen von mehreren Sensoren können kombiniert und korreliert werden, um Rückschlüsse auf latente Probleme zu ziehen; So können beispielsweise die Daten von Temperatursensoren und Vibrationssensoren verwendet werden, um den Beginn eines mechanischen Fehlers zu erkennen. In einigen Fällen sind die beiden Sensorfunktionen in einem Gerät vorhanden, in anderen werden die Funktionen in Software kombiniert, um einen „weichen“ Sensor zu schaffen.

Die Antwort der Hersteller: Intelligente Sensorlösungen

Dieser Abschnitt befasst sich mit den intelligenten Sensoren, die für IoT-Anwendungen entwickelt wurden, sowohl in Bezug auf ihre Bausteine als auch auf ihre Herstellung, und untersucht dann einige der Vorteile, die sich aus der eingebauten Intelligenz der Sensoren ergeben, insbesondere die Möglichkeiten zur Selbstdiagnose und Reparatur.

Was steckt in einem intelligenten Sensor und was kann er leisten?

Wir haben die Erwartungen des IoT an einen intelligenten Sensor untersucht, aber wie hat die Industrie darauf reagiert? Was ist in einem modernen intelligenten Sensor eingebaut und was kann er?

Smarte Sensoren sind als IoT-Komponenten aufgebaut, die die von ihnen gemessene reale Variable in einen digitalen Datenstrom umwandeln, der an ein Gateway übertragen wird. Abbildung 1 zeigt, wie sie dies tun. Die Anwendungsalgorithmen werden von einer eingebauten Mikroprozessoreinheit (MPU) ausgeführt. Diese kann Filterung, Kompensation und andere prozessspezifische Signalaufbereitungsaufgaben durchführen.

Die Intelligenz der MPU kann auch für viele andere Funktionen genutzt werden, um die Belastung der zentraleren IoT-Ressourcen zu verringern; so können beispielsweise Kalibrierungsdaten an die MPU gesendet werden, damit der Sensor automatisch auf Produktionsänderungen eingestellt wird. Die MPU kann auch Produktionsparameter erkennen, die außerhalb akzeptabler Normen zu driften beginnen, und entsprechende Warnungen ausgeben; die Bediener können dann vorbeugende Maßnahmen ergreifen, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Gegebenenfalls könnte der Sensor im „Report by Exception“-Modus arbeiten, in dem er nur dann Daten überträgt, wenn sich der gemessene Variablenwert signifikant von früheren Probenwerten unterscheidet. Dies reduziert sowohl die Belastung der zentralen Rechenressourcen als auch den Energiebedarf des intelligenten Sensors – in der Regel ein entscheidender Vorteil, da der Sensor bei fehlender Stromversorgung auf eine Batterie oder Energiegewinnung angewiesen ist.

Wenn der intelligente Sensor zwei Elemente in der Sonde enthält, kann eine Selbstdiagnose des Sensors eingebaut werden. Jede sich entwickelnde Drift in den Ausgängen eines der Sensorelemente kann sofort erkannt werden. Fällt ein Sensor ganz aus – zum Beispiel durch einen Kurzschluss -, kann der Prozess mit dem zweiten Messelement fortgesetzt werden. Alternativ kann eine Sonde zwei Sensoren enthalten, die zusammenarbeiten, um eine bessere Überwachung zu ermöglichen.

Smart Sensor: Ein praktisches Beispiel

Eine von Texas Instruments entwickelte Anwendung liefert ein praktisches Beispiel für einen intelligenten Sensor und zeigt, wie seine Bausteine zusammenarbeiten, um nützliche Informationen aus analogen Strom- und Temperaturmessungen zu generieren und die Intelligenz für die anderen genannten Funktionen bereitzustellen. In der Anwendung wird eine Variante der MSP430 MCU-Reihe mit extrem niedrigem Stromverbrauch verwendet, um einen intelligenten Fehlerindikator für Stromverteilungsnetze zu bauen.

Bei ordnungsgemäßer Installation reduzieren Fehlerindikatoren Betriebskosten und Betriebsunterbrechungen, indem sie Informationen über einen ausgefallenen Abschnitt des Netzes liefern. Gleichzeitig erhöht das Gerät die Sicherheit und verringert die Schäden an den Anlagen, indem es den Bedarf an gefährlichen Fehlerdiagnoseverfahren reduziert. Da Störungsmelder aufgrund ihres Standorts in erster Linie batteriebetrieben sind, ist ein stromsparender Betrieb ebenfalls sehr wünschenswert.

Die Störungsmelder – die an den Verbindungsstellen des Freileitungsnetzes installiert werden – senden Messdaten über Temperatur und Strom in den Stromleitungen drahtlos an die auf den Masten montierten Konzentrator-/Endgeräte. Die Konzentratoren leiten die Daten über ein GSM-Modem an das Mobilfunknetz weiter, um die Informationen in Echtzeit an die Hauptstation zu übermitteln. Die Hauptstation kann über denselben Datenpfad auch die Störungsmelder steuern und diagnostizieren.

Die ständige Verbindung zur Hauptstation hat mehrere Vorteile. Der erste ist die Möglichkeit, Fehlerzustände aus der Ferne zu überwachen, anstatt sie im Feld zu suchen. Ein intelligenter Fehlerindikator kann auch ständig Temperatur und Stromstärke überwachen, so dass der Kontrolleur in der Hauptstation über Echtzeit-Statusinformationen über das Stromverteilungsnetz verfügt. Auf diese Weise können Energieversorgungsunternehmen den Fehlerort schnell identifizieren, die Ausfallzeiten minimieren und sogar Maßnahmen ergreifen, bevor es zu einem Ausfall kommt. Die Mitarbeiter in der Hauptstation können die Fehlerindikatoren in den erforderlichen Intervallen diagnostizieren, um zu prüfen, ob sie korrekt funktionieren.

Abbildung 2 ist ein Funktionsblockdiagramm eines solchen intelligenten Fehleranzeigers, der auf dem MSP430-Mikrocontroller (MCU) von TI mit ferroelektrischem Direktzugriffsspeicher (FRAM) basiert. Der Stromwandler erzeugt eine analoge Spannung, die proportional zum Netzstrom ist. Ein Operationsverstärker (OPV) verstärkt und filtert dieses Spannungssignal. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) auf der MCU tastet den Ausgang des Operationsverstärkers ab. Der digitale Datenstrom des ADC wird dann von der auf der CPU oder dem Beschleuniger laufenden Software analysiert. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist auch mit einem Komparator auf der MCU verbunden. Der Komparator erzeugt eine Meldung an die Zentraleinheit (CPU) in der MCU, wenn der Eingangspegel einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Die Rechenleistung des MSP430 ermöglicht eine Strommessanalyse im Frequenzbereich, die einen tieferen Einblick in den Zustand der Stromleitung bietet als frühere Methoden im Zeitbereich. Die schnellen FRAM-Lese- und Schreibgeschwindigkeiten ermöglichen die Akkumulation von Daten für die Musteranalyse, während die Ultra-Low-Power-Betriebsmodi der MCU eine verlängerte Batterielebensdauer ermöglichen.

Fertigung

Um das volle Potenzial des IoT auszuschöpfen, müssen die Fertigungsmethoden für Sensoren weiterhin die Größe, das Gewicht, die Leistung und die Kosten (SWaP-C) der Sensorkomponente und des Systems reduzieren. Der gleiche Trend muss auch für das Sensor-Packaging gelten, das derzeit bis zu 80 % der Gesamtkosten und des Formfaktors ausmacht.

Smarte Sensoren entstehen, wenn MEMS-Sensorelemente eng mit integrierten CMOS-Schaltungen (ICs) integriert werden. Diese ICs sorgen für die Gerätevorspannung, die Signalverstärkung und andere Signalverarbeitungsfunktionen. Ursprünglich umfasste die verwendete WLVP-Technologie (Wafer-Level Vacuum Packaging) nur diskrete Sensorbauteile, und intelligente Sensoren wurden durch die Verbindung diskreter MEMS-Chips mit IC-Chips durch das Gehäuse oder das Plattensubstrat in einem als Multi-Chip-Integration bezeichneten Ansatz realisiert. Ein verbesserter Ansatz verbindet die CMOS-IC- und Sensorelemente direkt miteinander, ohne die Verwendung von Routing-Schichten im Gehäuse oder auf der Platine, in einer Konstruktion, die als System-on-Chip (SoC) bekannt ist. Im Vergleich zum diskreten Multi-Chip-Packaging-Ansatz ist SoC in der Regel komplexer, führt aber zu geringeren Parasiten, kleinerem Platzbedarf, höherer Verbindungsdichte und niedrigeren Package-Kosten.

Weitere Vorteile der Intelligenz intelligenter Sensoren

Smarte photoelektrische Sensoren können Muster in einer Objektstruktur und deren Veränderungen erkennen. Dies geschieht eigenständig im Sensor, nicht in einem externen Rechenelement. Dies erhöht den Verarbeitungsdurchsatz und entlastet den zentralen Prozessor – oder die lokale SPS – bei der Verarbeitung.

Die Flexibilität in der Fertigung wird verbessert – ein entscheidender Vorteil im heutigen Wettbewerbsumfeld. Intelligente Sensoren können aus der Ferne mit geeigneten Parametern programmiert werden, wenn eine Produktänderung erforderlich ist. Produktion, Inspektion, Verpackung und Versand können sogar für einzelne Losgrößen zu Massenproduktionspreisen eingestellt werden, so dass jeder Verbraucher ein personalisiertes, einmaliges Produkt erhält.

Die Rückmeldung von linearen Positionssensoren wurde bisher durch Probleme im Zusammenhang mit Systemrauschen, Signaldämpfung und Ansprechdynamik behindert. Jeder Sensor musste abgestimmt werden, um diese Probleme zu überwinden. Honeywell bietet mit seinen intelligenten Positionssensoren SPS-L075-HALS eine Lösung an. Diese können sich selbst kalibrieren, indem sie eine patentierte Kombination aus einem ASIC und einem Array von MR-Sensoren (magne-toresistive Sensoren) verwenden. Damit lässt sich die Position eines Magneten, der an beweglichen Objekten wie Aufzügen, Ventilen oder Maschinen angebracht ist, genau und zuverlässig bestimmen.

Das MR-Array misst den Ausgang der MR-Sensoren, die entlang der Bewegungsrichtung des Magneten angebracht sind. Anhand des Ausgangs und der MR-Sensorreihenfolge wird das dem Zentrum des Magneten am nächsten liegende Sensorpaar bestimmt. Der Ausgang dieses Paares wird dann verwendet, um die Position des Magneten zwischen ihnen zu bestimmen. Diese berührungslose Technologie kann die Lebensdauer und Haltbarkeit des Produkts bei geringeren Ausfallzeiten erhöhen. Eine Selbstdiagnosefunktion kann die Ausfallzeiten weiter reduzieren.

Diese Sensoren erfüllen auch andere Anforderungen an intelligente IoT-Sensoren. Ihre geringe Größe ermöglicht die Installation auf engstem Raum, während die Dichtungsoptionen IP67 und IP69K den Einsatz in rauen Umgebungen ermöglichen. Sie sind so intelligent, dass sie mehrere Sensor- und Schaltkomponenten sowie die bisher erforderliche zusätzliche Verkabelung, externe Komponenten und Anschlüsse ersetzen können. Die Sensoren werden in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und in industriellen Anwendungen eingesetzt.

Smarte Sensoren mit Selbstdiagnose und Reparaturmöglichkeiten

Smarte Sensoren können auch für sicherheitskritische Anwendungen wie die Erkennung von gefährlichen Gasen, Feuer oder Eindringlingen geeignet sein. Die Bedingungen in diesen Umgebungen können rau sein, und die Sensoren sind für die Wartung oder den Batteriewechsel oft nur schwer zugänglich, wobei eine hohe Zuverlässigkeit entscheidend ist. Ein Team des Lab-STICC-Forschungszentrums der University of South Brittany hat eine Lösung entwickelt, die die Zuverlässigkeit durch den Einsatz von Doppelsonden und Hardware verbessert, die sich selbst diagnostizieren und reparieren kann.

Das Endziel ihres Projekts ist die Integration aller beschriebenen Elemente in ein einziges diskretes Gerät, das sich für Anwendungen wie die Erkennung gefährlicher Gase in Bereichen wie Häfen oder Lagerhäusern eignet. Im Mittelpunkt des Projekts steht ein Knoten, der einen internen Fehler lokalisieren und Korrekturmaßnahmen ergreifen kann, um sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Energieeffizienz zu verbessern. Dies verringert die Anfälligkeit des Knotens und senkt die Wartungskosten. Der Entwurf berücksichtigt die Einschränkungen solcher Sensoren: begrenzte Batterieautonomie, Energiegewinnung, die unzuverlässigem Verhalten der Energiequelle unterliegt, begrenzte Verarbeitungs- und Speicherressourcen und die Notwendigkeit einer drahtlosen Kommunikation.

Der Knoten ist mit zwei Sensoren ausgestattet; im Normalbetrieb erfasst der erste Umgebungsdaten, während der zweite nur von den Benutzern aktiviert wird, um die erhaltenen Daten zu überprüfen. Fällt der erste Sensor aus, wird die Zuverlässigkeit des Knotens herabgesetzt und Batteriestrom für die Versorgung des nicht funktionierenden Sensors verschwendet. Wenn der Knoten jedoch den ersten Sensor abschaltet und auf den zweiten umschaltet, wird keine Energie verschwendet und die Zuverlässigkeit des Knotens bleibt erhalten.

Das Ziel des Projekts bestand dementsprechend darin, eine neuartige Selbstdiagnose zu entwickeln, die auf funktionalen und physikalischen Tests basiert, um einen Hardwarefehler in einer beliebigen Komponente des drahtlosen Sensorknotens zu erkennen. Mit dieser Methode kann genau festgestellt werden, welche Komponente des Knotens ausgefallen ist, und es können geeignete Abhilfemaßnahmen angezeigt werden.

Abbildung 3 zeigt die Hardwarekonfiguration des selbst rekonfigurierbaren Sensorknotens. Zu seinen Komponenten gehören ein Prozessor, ein RAM/FLASH-Speicher, eine Schnittstelle für Aktoren und Sensoren (IAS) zur Verbindung mit der Umgebung, ein Radio-Transceiver-Modul (RTM) zum Senden und Empfangen von Daten und eine Batterie mit Leistungsschaltern (DC-DC-Wandler). Der Knoten umfasst auch einen Power and Availability Manager (PAM) in Kombination mit einem FPGA-konfigurierbaren Bereich. Die erste Zone wird als intelligenter Teil für die optimale Nutzung der Energie, die automatische Diagnose und die Fehlertoleranz betrachtet, während die zweite Zone die Verfügbarkeit des Sensorknotens erhöht.

Die Tabelle in Abbildung 4 zeigt, wie der Sensorknoten auf verschiedene Knotenprobleme reagieren kann. Das FPGA enthält eine Softcore-8051-CPU, die aktiviert wird, wenn eine Leistungssteigerung erforderlich ist oder um den Hauptprozessor zu ersetzen, wenn dieser ausfällt. Bei dem FPGA handelt es sich um ein Actel IGL00V2, das aufgrund seiner Zuverlässigkeit und seines geringen Stromverbrauchs ausgewählt wurde. Der Rest des Knotens besteht aus einem PIC-Prozessor, einem RAM-Speicher, einem Miwi-Funk-Transceivermodul, zwei Oldham OLCT 80-Gasdetektoren, LM3100- und MAX618-Leistungsschaltern und einer Batterie.

Abschluss

In diesem Artikel haben wir gesehen, wie Chiphersteller und Forscher auf den Bedarf des IoT an intelligenten Sensoren reagiert haben. Dabei geht es zum Teil um die Erweiterung der grundlegenden Messwandlerfunktion um Intelligenz und Kommunikationsfähigkeiten, aber auch um eine verbesserte Fertigung. Durch die Integration von MEMS-Sensorelementen und CMOS-Computerkomponenten auf einem einzigen Substrat können intelligente Sensoren in kleinen, kostengünstigen Gehäusen implementiert werden, die in platzbeschränkte Anwendungen eingebettet werden können und deren Umgebungsbedingungen standhalten.

Dementsprechend können IoT-Designer die Sensoren beschaffen, die sie benötigen – klein, billig, robust und stromsparend genug für den flächendeckenden Einsatz, und gleichzeitig intelligent genug, um neben den Rohdaten auch nützliche Informationen zu liefern. Sie ermöglichen auch eine flexiblere, granulare Automatisierung, da sie eingehende Befehle zur Neukalibrierung akzeptieren können, um Produktionsänderungen Rechnung zu tragen.

Dieser Artikel wurde von Newark element 14, Chicago, IL, beigesteuert. Für weitere Informationen, klicken Sie hier.