A Texas Instruments által kifejlesztett alkalmazás egy gyakorlati példát mutat be egy intelligens érzékelőre, és arra, hogy annak építőelemei hogyan működnek együtt az analóg áram- és hőmérsékletmérésből származó hasznos információk előállítása érdekében, valamint hogyan biztosítják az intelligenciát az egyéb említett funkciókhoz. Az alkalmazás a rendkívül kis fogyasztású MSP430 MCU termékcsalád egyik változatát használja az elektromos áramelosztó hálózatok intelligens hibajelzőjének megépítéséhez.

A megfelelő telepítés esetén a hibajelzők csökkentik az üzemeltetési költségeket és a szolgáltatás megszakításait azáltal, hogy információt szolgáltatnak a hálózat meghibásodott szakaszáról. Ugyanakkor az eszköz növeli a biztonságot és csökkenti a berendezések károsodását azáltal, hogy csökkenti a veszélyes hibadiagnosztikai eljárások szükségességét. A hibajelzők – elhelyezkedésükből adódóan – elsősorban elemmel működnek, ezért az alacsony energiafogyasztású üzemmód is nagyon kívánatos.

A hibajelzők – amelyeket a felsővezeték-hálózat csomópontjaira telepítenek – a távvezetékek hőmérsékletére és áramára vonatkozó mérési adatokat vezeték nélkül küldik az oszlopokra szerelt koncentrátor/terminál egységeknek. A koncentrátorok GSM-modemmel továbbítják az adatokat a mobilhálózatba, hogy valós idejű információkat továbbítsanak a főállomásra. A főállomás ugyanezen az adatátviteli útvonalon keresztül vezérelheti és diagnosztikát is végezhet a hibajelzőkön.

A főállomással való folyamatos kapcsolatnak számos előnye van. Az első az, hogy a hibaállapotokat a terepen történő keresés helyett távolról is figyelemmel lehet kísérni. Az intelligens hibajelző a hőmérsékletet és az áramot is folyamatosan figyelemmel tudja kísérni, így a főállomáson lévő vezérlő valós idejű állapotinformációkkal rendelkezik az energiaelosztó hálózatról. Ennek megfelelően az áramszolgáltatók gyorsan azonosíthatják a hiba helyét, minimalizálhatják az áramkimaradást, és még a hiba bekövetkezése előtt intézkedhetnek. A főállomáson dolgozók a szükséges időközönként diagnosztikát futtathatnak a hibajelzőkön, hogy ellenőrizzék azok megfelelő működését.

A 2. ábra egy ilyen, a TI MSP430 ferroelektromos véletlen hozzáférésű memórián (FRAM) alapuló intelligens hibajelző funkcionális blokkdiagramja. Az áramátalakító a hálózati árammal arányos analóg feszültséget állít elő. Egy műveleti erősítő (op-amp) erősíti és szűri ezt a feszültségjelet. Az MCU analóg-digitális átalakító (ADC) az op-erősítő kimenetét mintavételezi. Az ADC-ből származó digitális adatfolyamot ezután a CPU-n vagy gyorsítón futó szoftver elemzi. Az op-erősítő kimenete az MCU-n található komparátorhoz is csatlakozik. Az összehasonlító jelzést generál az MCU központi feldolgozó egységének (CPU), ha a bemeneti szint túllép egy előre meghatározott küszöbértéket.

Az MSP430 számítási teljesítménye lehetővé teszi a frekvenciatartománybeli árammérés elemzését, amely mélyebb betekintést nyújt a tápvezeték állapotába, mint a korábbi időtartománybeli módszerek. A gyors FRAM írási és olvasási sebesség lehetővé teszi a mintaelemzéshez szükséges adatok felhalmozását, míg az MCU ultraalacsony fogyasztású üzemmódjai hosszabb akkumulátoros üzemidőt tesznek lehetővé.

Feldolgozás

Az IoT-ben rejlő lehetőségek teljes kihasználásához az érzékelőgyártási módszereknek tovább kell csökkenteniük az érzékelőkomponens és a rendszer méretét, súlyát, teljesítményét és költségét (SWaP-C). Ugyanezt a tendenciát kell alkalmazni az érzékelők csomagolására is, amely jelenleg a teljes költség és a formafaktor 80%-át teszi ki.

Az intelligens érzékelők akkor alakulnak ki, amikor a mikro-elektromechanikus rendszer (MEMS) érzékelőelemeit szorosan integrálják a CMOS integrált áramkörökkel (IC-k). Ezek az IC-k biztosítják az eszköz előfeszítését, a jelerősítést és más jelfeldolgozási funkciókat. Eredetileg az alkalmazott wafer-level vacuum packaging (WLVP) technológia csak diszkrét érzékelőeszközöket tartalmazott, és az intelligens érzékelőket úgy valósították meg, hogy a diszkrét MEMS-chipeket a csomagoláson vagy a lapszubsztrátumon keresztül összekapcsolták az IC-chipekkel egy többchipes integrációnak nevezett megközelítésben. Egy továbbfejlesztett megközelítés a CMOS IC és az érzékelő elemeket közvetlenül, a csomagban vagy a lapon lévő útválasztó rétegek használata nélkül kapcsolja össze a rendszer a lapkán (System-on-Chip, SoC) néven ismert konstrukcióban. A diszkrét többchipes csomagolási megközelítéssel összehasonlítva a SoC jellemzően összetettebb, de kevesebb parazitát, kisebb alapterületet, nagyobb összekapcsolási sűrűséget és alacsonyabb csomagolási költségeket eredményez.

A Smart Sensor Intelligence további előnyei

Az intelligens fotoelektromos érzékelők képesek érzékelni a tárgyszerkezetben lévő mintákat és azok bármilyen változását. Ez autonóm módon történik az érzékelőben, nem pedig külső számítási elemben. Ez növeli a feldolgozási teljesítményt, és csökkenti a központi processzor – vagy a helyi PLC – feldolgozási terhelését.

A gyártás rugalmassága javul – ami létfontosságú előny a mai versenykörnyezetben. Az intelligens érzékelők távolról programozhatók a megfelelő paraméterekkel minden alkalommal, amikor termékváltoztatásra van szükség. A gyártás, az ellenőrzés, a csomagolás és a kiszállítás akár egyetlen darabos tételméretre is beállítható tömeggyártási áron, így minden fogyasztó személyre szabott, egyedi terméket kaphat.

A lineáris pozícióérzékelők visszajelzését hagyományosan a rendszer zajával, a jelek csillapításával és a válaszdinamikával kapcsolatos problémák akadályozták. Minden érzékelőt hangolni kellett, hogy leküzdje ezeket a problémákat. A Honeywell megoldást kínál az SPS-L075-HALS intelligens pozícióérzékelőkkel. Ezek egy ASIC és egy MR (magne-torezisztív) érzékelőkből álló tömb szabadalmaztatott kombinációja révén képesek az önkalibrálásra. Ez pontosan és megbízhatóan határozza meg a mozgó tárgyakhoz, például liftekhez, szelepekhez vagy gépekhez rögzített mágnes helyzetét.

Az MR-tömb a mágnes haladási iránya mentén felszerelt MR-érzékelők kimenetét méri. A kimenet és az MR-érzékelők sorrendje meghatározza a mágnes helyének középpontjához legközelebbi érzékelőpárt. Ennek a párnak a kimenete ezután a mágnes közöttük lévő helyzetének meghatározására szolgál. Ez az érintésmentes technológia megnövelt élettartamot és tartósságot biztosíthat a termék számára, kevesebb állásidővel. Az öndiagnosztikai funkció tovább csökkentheti az állásidő szintjét.

Ezek az érzékelők más IoT intelligens érzékelőkre vonatkozó követelményeket is kipipálnak. Kis méretük lehetővé teszi a telepítést ott, ahol kevés a hely, míg az IP67 és IP69K tömítési lehetőségek lehetővé teszik a zord környezetben való telepítést. Elég intelligensek ahhoz, hogy több érzékelő- és kapcsolóelemet helyettesítsenek a korábban szintén szükséges extra kábelezéssel, külső alkatrészekkel és csatlakozásokkal együtt. Az érzékelőket a repülőgépiparban, az orvosi és ipari alkalmazásokban használják.

Okos érzékelők öndiagnosztikai és javítási képességekkel

Az intelligens érzékelők olyan biztonságkritikus alkalmazásokhoz is jól alkalmazhatók, mint a veszélyes gázok, tűz vagy behatolók érzékelése. Ezekben a környezetekben a körülmények zordak lehetnek, és az érzékelők nehezen hozzáférhetők karbantartás vagy elemcsere céljából, ugyanakkor a magas megbízhatóság kritikus fontosságú. A Dél-Brittanyi Egyetem Lab-STICC Kutatóközpontjának egy csapata olyan megoldást fejlesztett ki, amely kettős szondák és olyan hardver használatával javítja a megbízhatóságot, amely képes az öndiagnózisra és az önjavításra.

Projektjük végső célja, hogy az összes leírt elemet egyetlen diszkrét eszközbe integrálják, amely alkalmas olyan alkalmazásokhoz, mint a veszélyes gázok érzékelése olyan területeken, mint a kikötők vagy raktárak. A projekt középpontjában egy olyan csomópont áll, amely képes lokalizálni a belső hibát és korrekciós intézkedéseket tenni a megbízhatóság és az energiahatékonyság javítása érdekében. Ez csökkenti a csomópont sérülékenységét és enyhíti a karbantartási költségeket. A terv felismeri az ilyen érzékelők korlátait: korlátozott akkumulátor-autonómia, az energiaforrás megbízhatatlan viselkedésének kitett energiagyűjtés, korlátozott feldolgozási és tárolási erőforrások, valamint a vezeték nélküli kommunikáció szükségessége.

A csomópont két érzékelővel van felszerelve; normál működés közben az első környezeti adatokat rögzít, míg a másodikat csak a felhasználók aktiválják a kapott adatok ellenőrzésére. Ha az első érzékelő meghibásodik, a csomópont megbízhatósága csökken, miközben az akkumulátor energiája a nem működő érzékelő ellátására pazarolódik. Ha azonban a csomópont lekapcsolja az első érzékelőt, és átvált a másodikra, nem pazarol energiát, és a csomópont megbízhatósága megmarad.

A projekt célja ennek megfelelően egy újszerű, funkcionális és fizikai teszteken alapuló öndiagnosztika kifejlesztése volt a vezeték nélküli érzékelőcsomópont bármely komponensének hardverhibájának észlelésére. Ez a módszer pontosan azonosítani tudja, hogy melyik csomóponti komponens hibásodott meg, és jelzi a megfelelő javító intézkedéseket.

A 3. ábra mutatja az önrekonfigurálható érzékelőcsomópont hardveres konfigurációját. Komponensei közé tartozik egy processzor, egy RAM/FLASH memória, egy Interface for Actuator and Sensors (IAS) a környezettel való kapcsolódáshoz, egy Radio Transceiver Module (RTM) az adatok küldéséhez és fogadásához, valamint egy akkumulátor tápkapcsolókkal (DC-DC átalakítók). A csomópont egy FPGA-konfigurálható zónával kombinált teljesítmény- és rendelkezésre állás-kezelőt (PAM) is tartalmaz. Az elsőt intelligens résznek tekintik az energia optimális felhasználása, az automatikus diagnosztika és a hibatűrés érdekében, míg a másik az érzékelőcsomópont rendelkezésre állását növeli.

A 4. ábrán látható táblázat azt mutatja, hogyan reagálhat az érzékelőcsomópont a különböző csomóponti problémákra. Az FPGA tartalmaz egy 8051-es softcore CPU-t, amely akkor aktiválódik, ha teljesítménynövelésre van szükség, vagy ha meghibásodás esetén a fő processzor helyettesítésére. Az FPGA egy Actel IGL00V2 típusú FPGA, amelyet megbízhatósága és alacsony energiafogyasztása miatt választottunk. A csomópont többi része egy PIC processzort, RAM-memóriát, Miwi rádió adó-vevő modult, két Oldham OLCT 80 gázérzékelőt, LM3100 és MAX618 teljesítménykapcsolókat, valamint egy akkumulátort tartalmaz.

Következtetés

Ebben a cikkben láttuk, hogy a chipgyártók és kutatók hogyan reagáltak az IoT intelligens érzékelők iránti igényére. Ez részben arról szólt, hogy az alapvető érzékelő funkciót intelligenciával és kommunikációs képességekkel egészítették ki, de a gyártás tökéletesítésével is járt. A MEMS-érzékelőelemek és a CMOS-számítástechnikai komponensek egyetlen hordozóra történő integrálásával az intelligens érzékelők kis, alacsony költségű csomagokban valósíthatók meg, amelyek beágyazhatók a helyszűkös alkalmazásokba, és ellenállnak a környezeti feltételeiknek.

Az IoT-tervezők ennek megfelelően beszerezhetik a számukra szükséges érzékelőket – amelyek kicsik, olcsók, ellenállóak és elég alacsony fogyasztásúak a mindenütt jelenlévő telepítéshez, ugyanakkor rendelkeznek a nyers adatok mellett hasznos információk szolgáltatásához szükséges intelligenciával is. Emellett elősegítik a rugalmasabb, granulárisabb automatizálást is, mivel képesek fogadni a bejövő parancsokat az újrakalibrálásra a termelési változásokhoz igazodva.

Ez a cikk a Newark element 14, Chicago, IL. További információért kattintson ide .

Tech Briefs Magazine

Ez a cikk először a Tech Briefs Magazine 2018. novemberi számában jelent meg.

Elolvashat további cikkeket ebből a számbólitt.

Olvasson további cikkeket az archívumbólitt.

FELIRATKOZÁS