Esineiden internetin (IoT) sovelluksissa – olipa kyse sitten kaupunkien infrastruktuureista, tehtaista tai kannettavista laitteista – käytetään suuria anturiryhmiä, jotka keräävät tietoja, jotka lähetetään Internetin kautta keskitettyyn pilvipohjaiseen laskentaresurssiin. Pilvitietokoneissa toimivat analyysiohjelmistot pienentävät valtavat määrät tuotettua dataa käyttäjille käyttökelpoiseksi tiedoksi ja käskyiksi toimilaitteille kentällä.

Asensorit ovat yksi IoT:n menestyksen avaintekijä, mutta ne eivät ole tavanomaisia tyyppejä, jotka vain muuttavat fysikaaliset muuttujat sähköisiksi signaaleiksi. Niiden on täytynyt kehittyä kehittyneemmiksi, jotta ne voivat suorittaa teknisesti ja taloudellisesti toteuttamiskelpoisen roolin IoT-ympäristössä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan IoT:n antureille asettamia odotuksia – mitä on tehtävä, jotta IoT:lle ominainen suuri anturijoukko saadaan aikaan. Sitten käsitellään sitä, miten valmistajat ovat vastanneet siihen parantamalla valmistusta, lisäämällä integraatiota ja lisäämällä sisäänrakennettua älykkyyttä, mikä on huipentunut nyt laajassa käytössä olevien älykkäiden antureiden käsitteeseen.

Tulee selväksi, että anturiälykkyys luo IoT-kytkentöjen helpottamisen lisäksi myös monia muita hyötyjä, jotka liittyvät ennakoivaan kunnossapitoon, joustavampaan valmistukseen ja tuottavuuden parantamiseen.

Mitä IoT odottaa sensoreiltaan?

Sensorit ovat perinteisesti olleet toiminnallisesti yksinkertaisia laitteita, jotka muuttavat fysikaaliset muuttujat sähköisiksi signaaleiksi tai sähköisten ominaisuuksien muutoksiksi. Vaikka tämä toiminnallisuus on olennainen lähtökohta, antureihin on lisättävä seuraavat ominaisuudet, jotta ne toimisivat IoT-komponentteina:

• Matalat kustannukset, joten niitä voidaan taloudellisesti ottaa käyttöön suuria määriä

• Fyysisesti pienet, jotta ne ”katoavat” huomaamattomasti mihin tahansa ympäristöön

• Langattomat, koska langallinen yhteys ei yleensä ole mahdollinen

• Itsetunnistus ja -validointi

• Erittäin vähävirtainen, joten se voi säilyä vuosia ilman pariston vaihtoa, tai pärjätä energiankeräyksellä

• Kestävä, jotta huolto voidaan minimoida tai poistaa kokonaan

• Itsediagnostiikka ja itsekorjautuminen

• Itsekalibrointi, tai ottaa vastaan kalibrointikomentoja langattoman linkin kautta

• Datan esikäsittely, jolla vähennetään yhdyskäytävien, PLC:iden ja pilviresurssien kuormitusta

Monista antureista saatuja tietoja voidaan yhdistellä ja korreloida, jotta voidaan tehdä päätelmiä piilevistä ongelmista; esimerkiksi lämpötila-anturin ja tärinäanturin tietoja voidaan käyttää mekaanisen vian alkamisen havaitsemiseen. Joissakin tapauksissa nämä kaksi anturitoimintoa ovat käytettävissä samassa laitteessa; toisissa taas toiminnot yhdistetään ohjelmistossa ”pehmeän” anturin luomiseksi.

Valmistajien vastaus: Älykkäät anturiratkaisut

Tässä jaksossa tarkastellaan IoT-sovelluksia varten kehitettyjä älykkäitä antureita sekä niiden rakennuspalikoiden että valmistuksen osalta, ja sen jälkeen käydään läpi joitakin etuja, joita antureiden sisäänrakennettu älykkyys tuo mukanaan, erityisesti itsediagnostiikka- ja korjausmahdollisuudet.

Mitä älykkäässä anturissa on ja mihin se pystyy?

Olemme käyneet läpi IoT:n älykkääseen anturiin kohdistuvia odotuksia, mutta miten teollisuus on vastannut niihin? Mitä nykyaikaisessa älykkäässä anturissa on ja mihin se pystyy?

Älykkäät anturit rakennetaan IoT-komponenteiksi, jotka muuntavat mittaamansa reaalimaailman muuttujan digitaaliseksi tietovirraksi yhdyskäytävälle lähetettäväksi. Kuvassa 1 esitetään, miten ne tekevät tämän. Sovellusalgoritmit suorittaa sisäänrakennettu mikroprosessoriyksikkö (MPU). Niillä voidaan suorittaa suodatusta, kompensointia ja muita prosessikohtaisia signaalinmuokkaustehtäviä.

MPU:n älykkyyttä voidaan käyttää moniin muihinkin toimintoihin IoT:n keskeisempien resurssien kuormituksen vähentämiseksi; esimerkiksi kalibrointitietoja voidaan lähettää MPU:lle, jotta anturi on automaattisesti asetettu tuotantomuutoksia varten. MPU voi myös havaita kaikki tuotantoparametrit, jotka alkavat ajautua hyväksyttävien normien ulkopuolelle, ja tuottaa sen mukaisesti varoituksia; operaattorit voivat sitten ryhtyä ennaltaehkäiseviin toimenpiteisiin ennen katastrofaalisen vian syntymistä.

Tapauksen vaatiessa anturi voisi toimia ”raportti poikkeuksen mukaan” -tilassa, jossa se lähettää tietoja vain, jos mitatun muuttujan arvo muuttuu merkittävästi aiemmista näytearvoista. Tämä vähentää sekä keskitetyn laskentaresurssin kuormitusta että älykkään anturin tehontarvetta – yleensä kriittinen etu, koska anturin on turvauduttava akkuun tai energiankeruuseen kytketyn virran puuttuessa.

Jos älykkäässä anturissa on kaksi elementtiä anturissa, anturin itsediagnostiikka voidaan rakentaa sisään. Mahdollinen kehittyvä ajautuminen jommankumman anturielementin ulostulossa voidaan havaita välittömästi. Lisäksi jos anturi vikaantuu kokonaan – esimerkiksi oikosulun vuoksi – prosessia voidaan jatkaa toisella mittauselementillä. Vaihtoehtoisesti anturi voi sisältää kaksi anturia, jotka toimivat yhdessä parempaa valvontapalautetta varten.

Smart Sensor: Käytännön esimerkki

Texas Instrumentsin kehittämä sovellus tarjoaa käytännön esimerkin älykkäästä anturista ja siitä, miten sen rakennuspalikat toimivat yhdessä tuottaakseen hyödyllistä tietoa analogisesta virran- ja lämpötilanmittauksesta sekä tuottaakseen älykkyyttä muille mainituille toiminnoille. Sovelluksessa käytetään heidän erittäin pienitehoisen MSP430-MCU-mallistonsa muunnelmaa älykkään vikailmaisimen rakentamiseen sähkönjakeluverkkoihin.

Oikein asennettuna vikailmaisimet vähentävät käyttökustannuksia ja palvelukeskeytyksiä antamalla tietoa vikaantuneesta verkon osasta. Samalla laite lisää turvallisuutta ja vähentää laitevaurioita vähentämällä vaarallisten vikadiagnostiikkamenettelyjen tarvetta. Vikailmaisimet ovat sijaintinsa vuoksi pääasiassa paristokäyttöisiä, joten myös virransäästö on erittäin toivottavaa.

Vikailmaisimet – jotka asennetaan ilmajohtoverkon risteyskohtiin – lähettävät mittaustietoa voimajohtojen lämpötilasta ja virrasta langattomasti pylväisiin asennettuihin keskittimiin/päätteisiin. Keskittimet käyttävät GSM-modeemia tietojen välittämiseen matkaviestinverkkoon reaaliaikaisten tietojen välittämiseksi pääasemalle. Pääasema voi myös ohjata ja suorittaa vikamittareiden diagnostiikkaa tämän saman datapolun kautta.

Jatkuvalla yhteydellä pääasemaan on useita etuja. Ensimmäinen on mahdollisuus seurata vikatilanteita etänä sen sijaan, että niitä etsittäisiin kentältä. Älykäs vikailmoitin voi myös seurata jatkuvasti lämpötilaa ja virtaa, joten pääaseman ohjaimella on reaaliaikaiset tilatiedot sähkönjakeluverkosta. Näin ollen sähkölaitokset voivat nopeasti tunnistaa vian sijainnin, minimoida sähkökatkokset ja jopa ryhtyä toimiin ennen vian syntymistä. Pääaseman työntekijät voivat suorittaa vikamittareiden diagnostiikan tarvittavin väliajoin tarkistaakseen, että ne toimivat oikein.

Kuvassa 2 on toiminnallinen lohkokaavio tällaisesta älykkäästä vikailmoittimesta, joka perustuu TI:n MSP430 ferroelektriseen FRAM-mikrokontrolleriin (FRAM). Virtamuuntaja tuottaa analogisen jännitteen, joka on verrannollinen sähköverkkovirtaan. Operaatiovahvistin (op-amp) vahvistaa ja suodattaa tämän jännitesignaalin. MCU:n analogi-digitaalimuunnin (ADC) ottaa näytteet operaatiovahvistimen ulostulosta. Tämän jälkeen CPU:lla tai kiihdyttimellä toimiva ohjelmisto analysoi ADC:ltä tulevan digitaalivirran. Op-vahvistimen lähtö on myös kytketty MCU:n komparaattoriin. Komparaattori luo lipun MCU:n keskusyksikölle (CPU), jos tulotaso ylittää ennalta määritellyn raja-arvon.

MSP430:n laskentateho mahdollistaa taajuusalueen virranmittausanalyysin, joka antaa syvemmän käsityksen voimajohdon tilasta kuin aiemmat aika-alueen menetelmät. Nopeat FRAM-luku- ja -kirjoitusnopeudet mahdollistavat datan kasaamisen kuvioanalyysia varten, ja MCU:n erittäin alhaisen virrankulutuksen toimintatilat mahdollistavat pidemmän akkukeston.

Valmistus

Voidaksemme hyödyntää IoT:n täyden potentiaalin anturien valmistusmenetelmien on edelleen pienennettävä anturikomponentin ja -järjestelmän kokoa, painoa, tehoa ja kustannuksia (SWaP-C). Samaa suuntausta on sovellettava anturipakkauksiin, joiden osuus kokonaiskustannuksista ja muotokertoimesta on tällä hetkellä jopa 80 prosenttia.

Älykkäät anturit muodostuvat, kun MEMS-anturielementit (micro-electromechanical system, mikroelektromekaaninen järjestelmä) integroidaan tiiviisti integroitujen CMOS-piirien (IC) kanssa. Nämä integroidut piirit huolehtivat laitteen biasoinnista, signaalin vahvistamisesta ja muista signaalinkäsittelytoiminnoista. Alun perin käytetty kiekkotason tyhjiöpakkaustekniikka (wafer-level vacuum packaging, WLVP) sisälsi vain erillisiä anturilaitteita, ja älykkäät anturit toteutettiin yhdistämällä erilliset MEMS-sirut IC-siruihin pakkauksen tai levyn substraatin läpi lähestymistavassa, jota kutsutaan monisiruintegraatioksi. Parannetussa lähestymistavassa CMOS-IC- ja anturielementit liitetään toisiinsa suoraan, ilman reitityskerroksia pakkauksessa tai levyssä, ja tätä rakennetta kutsutaan nimellä system-on-chip (SoC). Erilliseen monisirupakkausmenetelmään verrattuna SoC on tyypillisesti monimutkaisempi, mutta se johtaa pienempiin loishäiriöihin, pienempiin pohjapinta-aloihin, suurempiin liitäntätiheyksiin ja alhaisempiin pakkauskustannuksiin.

Älykkäiden anturien älykkyyden muut edut

Älykkäät valosähköiset anturit pystyvät havaitsemaan kohteen rakenteen kuviot ja niissä tapahtuvat muutokset. Tämä tapahtuu itsenäisesti anturissa, ei missään ulkoisessa laskentaelementissä. Tämä lisää käsittelyn läpimenoa ja vähentää keskusprosessorin – tai paikallisen PLC:n – käsittelykuormaa.

Valmistuksen joustavuus paranee – elintärkeä etu nykypäivän kilpailuympäristössä. Älykkäät anturit voidaan ohjelmoida etänä sopivilla parametreilla aina, kun tarvitaan tuotemuutos. Tuotanto, tarkastus, pakkaus ja lähetys voidaan asettaa jopa yhden kappaleen eräkokoja varten massatuotantohinnoin, joten jokainen kuluttaja voi saada yksilöllisen, ainutkertaisen tuotteen.

Lineaaristen asentoantureiden takaisinkytkentää ovat perinteisesti haitanneet järjestelmän kohinaan, signaalin vaimenemiseen ja vastedynamiikkaan liittyvät ongelmat. Jokainen anturi on täytynyt virittää näiden ongelmien voittamiseksi. Honeywell tarjoaa ratkaisun SPS-L075-HALS Smart Position Sensors -antureillaan. Ne voivat kalibroida itsensä käyttämällä patentoitua yhdistelmää, joka koostuu ASIC:stä ja MR-antureista (magneettitoresistiiviset anturit). Tämä määrittää tarkasti ja luotettavasti liikkuviin kohteisiin, kuten hisseihin, venttiileihin tai koneisiin, kiinnitetyn magneetin sijainnin.

MR-joukko mittaa magneetin kulkusuuntaan asennettujen MR-antureiden ulostulon. Lähtö ja MR-anturijärjestys määrittävät magneetin sijainnin keskipistettä lähimmän anturiparin. Tämän parin ulostuloa käytetään sitten magneetin sijainnin määrittämiseen niiden välissä. Tämä kosketukseton tekniikka voi parantaa tuotteen käyttöikää ja kestävyyttä ja vähentää seisokkiaikoja. Itsediagnostiikkaominaisuus voi vähentää seisokkiaikoja entisestään.

Nämä anturit täyttävät myös muut IoT-älykkään anturin vaatimukset. Niiden pieni koko mahdollistaa asennuksen siellä, missä tilaa on vähän, ja IP67- ja IP69K-tiivistysvaihtoehdot mahdollistavat käyttöönoton vaativissa ympäristöissä. Ne ovat riittävän älykkäitä korvaamaan useita anturi- ja kytkinkomponentteja yhdessä ylimääräisten johdotusten, ulkoisten komponenttien ja liitäntöjen kanssa, joita myös aiemmin tarvittiin. Antureita käytetään ilmailu- ja avaruusalalla, lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.

Älykkäät anturit, joissa on itsediagnostiikka- ja korjausvalmiudet

Älykkäät anturit soveltuvat hyvin myös turvallisuuskriittisiin sovelluksiin, kuten vaarallisten kaasujen, tulipalon tai tunkeutujien havaitsemiseen. Olosuhteet näissä ympäristöissä voivat olla ankarat, ja antureihin voi olla vaikea päästä käsiksi huoltoa tai pariston vaihtoa varten, mutta silti korkea luotettavuus on kriittisen tärkeää. Etelä-Brittanyn yliopiston Lab-STICC-tutkimuskeskuksen ryhmä on kehittänyt ratkaisua, joka parantaa luotettavuutta käyttämällä kahta anturia ja laitteistoa, joka pystyy itsediagnosoimaan ja korjaamaan itsensä.

Heidän hankkeensa perimmäisenä tavoitteena on integroida kaikki kuvatut elementit yhdeksi erilliseksi laitteeksi, joka soveltuu sovelluksiin, kuten vaarallisten kaasujen havaitsemiseen esimerkiksi satamissa tai varastoissa. Hankkeessa keskitytään solmuun, joka voi paikallistaa sisäisen vian ja ryhtyä korjaaviin toimenpiteisiin sekä luotettavuuden että energiatehokkuuden parantamiseksi. Tämä vähentää solmun haavoittuvuutta ja keventää ylläpitokustannuksia. Suunnittelussa otetaan huomioon tällaisten antureiden rajoitukset: rajoitettu akkujen autonomia, energian kerääminen, johon liittyy energianlähteen epäluotettava käyttäytyminen, rajalliset prosessointi- ja varastointiresurssit sekä tarve langattomaan viestintään.

Solmu on varustettu kahdella anturilla; normaalin toiminnan aikana ensimmäinen kaappaa ympäristötietoja, kun taas käyttäjät aktivoivat toisen vain saadun tiedon tarkistamiseksi. Jos ensimmäinen anturi vikaantuu, solmun luotettavuus heikkenee, ja samalla akkuvirtaa tuhlataan toimimattoman anturin syöttämiseen. Jos solmu kuitenkin katkaisee ensimmäisen anturin ja vaihtaa toiseen, energiaa ei kulu ja solmun luotettavuus säilyy.

Hankkeen tavoitteena oli kehittää uudenlainen toiminnallisiin ja fysikaalisiin testeihin perustuva itsediagnostiikka, jolla voidaan havaita laitteistovika missä tahansa langattoman anturisolmun komponentissa. Menetelmällä voidaan tunnistaa täsmälleen, mikä solmun komponentti on vikaantunut, ja osoittaa sopivia korjaavia toimenpiteitä.

Kuvassa 3 esitetään itsekonfiguroituvan anturisolmun laitteistokokoonpano. Sen komponentteihin kuuluvat prosessori, RAM/FLASH-muisti, toimilaite- ja anturiliitäntä (IAS), jolla on liitäntä ympäristöön, radiolähetinmoduuli (RTM), jolla lähetetään ja vastaanotetaan dataa, sekä akku, jossa on virtakytkimet (DC-DC-muuntimet). Solmu sisältää myös Power and Availability Managerin (PAM) yhdistettynä FPGA-konfiguroitavaan vyöhykkeeseen. Ensimmäistä pidetään älykkäänä osana energian parhaan mahdollisen käytön, automaattisen diagnoosin ja vikasietoisuuden varmistamiseksi, kun taas toinen parantaa anturisolmun käytettävyyttä.

Kuvassa 4 olevasta taulukosta käy ilmi, miten anturisolmu voi reagoida erilaisiin solmun ongelmiin. FPGA sisältää 8051-suorittimen softcore-suorittimen, joka aktivoidaan, kun tarvitaan suorituskyvyn parantamista tai korvaamaan pääprosessori, jos se vikaantuu. FPGA on Actel-tyyppinen IGL00V2, joka on valittu sen luotettavuuden ja alhaisen virrankulutuksen vuoksi. Solmun loppuosa koostuu PIC-prosessorista, RAM-muistista, Miwi-radiolähetinmoduulista, kahdesta Oldham OLCT 80 -kaasunilmaisimesta, LM3100- ja MAX618-tehokytkimistä sekä paristosta.

Loppupäätelmä

Tässä artikkelissa olemme nähneet, miten siruvalmistajat ja tutkijat ovat vastanneet IoT:n älykkäiden antureiden tarpeeseen. Osittain kyse on ollut älykkyyden ja viestintäominaisuuksien lisäämisestä anturin perustoimintoon, mutta siihen liittyy myös valmistuksen parantaminen. Integroimalla MEMS-anturielementit ja CMOS-laskentakomponentit yhdelle alustalle älykkäät anturit voidaan toteuttaa pienissä, edullisissa paketeissa, jotka voidaan upottaa tilaa rajoittaviin sovelluksiin ja jotka kestävät niiden ympäristöolosuhteet.

Siten IoT-suunnittelijat voivat hankkia tarvitsemiaan antureita, jotka ovat pieniä, halpoja, kestäviä ja riittävän pienitehoisia kaikkialle ulottuvaa käyttöä varten ja joilla on samalla älykkyyttä, joka pystyy tuottamaan raakadatan ohella myös hyödyllisiä tietoja. Ne helpottavat myös joustavampaa ja rakeisempaa automaatiota, sillä ne voivat ottaa vastaan saapuvia käskyjä uudelleenkalibrointia varten tuotantomuutosten mukauttamiseksi.

Tämän artikkelin on kirjoittanut Newark element 14, Chicago, IL. Lisätietoja saat klikkaamalla tästä .