Le applicazioni IoT (Internet of Things) – che si tratti di infrastrutture cittadine, fabbriche o dispositivi indossabili – utilizzano grandi matrici di sensori che raccolgono dati da trasmettere via Internet a una risorsa informatica centrale basata su cloud. Il software di analisi in esecuzione sui computer cloud riduce gli enormi volumi di dati generati in informazioni utilizzabili per gli utenti e i comandi agli attuatori sul campo.

I sensori sono un fattore chiave per il successo dell’IoT, ma questi non sono tipi convenzionali che convertono semplicemente le variabili fisiche in segnali elettrici. Hanno avuto bisogno di evolversi in qualcosa di più sofisticato per svolgere un ruolo tecnicamente ed economicamente fattibile all’interno dell’ambiente IoT.

Questo articolo passa in rassegna le aspettative dell’IoT nei confronti dei suoi sensori – cosa deve essere fatto per raggiungere il grande array di sensori caratteristico dell’IoT. Poi affronta come i produttori hanno risposto con miglioramenti alla fabbricazione, maggiore integrazione e intelligenza incorporata, culminando nel concetto di sensori intelligenti ora in largo uso.

Sarà evidente che l’intelligenza dei sensori, oltre a facilitare la connettività IoT, crea anche molti altri benefici relativi alla manutenzione predittiva, alla produzione più flessibile e al miglioramento della produttività.

Cosa si aspetta l’IoT dai suoi sensori?

I sensori sono stati tradizionalmente dispositivi funzionalmente semplici che convertono variabili fisiche in segnali elettrici o cambiamenti nelle proprietà elettriche. Mentre questa funzionalità è un punto di partenza essenziale, i sensori devono aggiungere le seguenti proprietà per funzionare come componenti IoT:

• Basso costo, in modo che possano essere distribuiti economicamente in grandi numeri

• Fisicamente piccoli, per “scomparire” discretamente in qualsiasi ambiente

• Senza fili, dato che una connessione cablata non è tipicamente possibile

• Auto-identificazione e auto-validazione

• Molto bassa potenza, quindi può sopravvivere per anni senza un cambio di batteria, o gestire con energy harvesting

• Robusto, per minimizzare o eliminare la manutenzione

• Autodiagnostica e autorigenerante

• Autocalibrazione, o accetta comandi di calibrazione tramite collegamento wireless

• Pre-elaborazione dei dati, per ridurre il carico su gateway, PLC e risorse cloud

Le informazioni da più sensori possono essere combinate e correlate per dedurre conclusioni su problemi latenti; per esempio, i dati dei sensori di temperatura e di vibrazione possono essere utilizzati per rilevare l’inizio di un guasto meccanico. In alcuni casi, le funzioni dei due sensori sono disponibili in un unico dispositivo; in altri, le funzioni sono combinate nel software per creare un sensore ‘morbido’.

La risposta dei produttori: Soluzioni per sensori intelligenti

Questa sezione esamina i sensori intelligenti che sono stati sviluppati per le applicazioni IoT in termini sia dei loro elementi costitutivi che della loro fabbricazione, e poi esamina alcuni dei vantaggi che derivano dall’intelligenza incorporata dei sensori, in particolare le possibilità di autodiagnostica e riparazione.

Cosa c’è in un sensore intelligente e di cosa è capace?

Abbiamo esaminato le aspettative dell’IoT per un sensore intelligente, ma come ha risposto l’industria? Cosa c’è in un moderno sensore intelligente e di cosa è capace?

I sensori intelligenti sono costruiti come componenti IoT che convertono la variabile del mondo reale che stanno misurando in un flusso di dati digitali da trasmettere a un gateway. La figura 1 mostra come fanno questo. Gli algoritmi applicativi sono eseguiti da un’unità microprocessore integrata (MPU). Questi possono eseguire il filtraggio, la compensazione e qualsiasi altro compito di condizionamento del segnale specifico del processo.

L’intelligenza della MPU può essere usata anche per molte altre funzioni per ridurre il carico sulle risorse più centrali dell’IoT; per esempio, i dati di calibrazione possono essere inviati alla MPU in modo che il sensore sia automaticamente impostato per qualsiasi cambiamento di produzione. L’MPU può anche individuare qualsiasi parametro di produzione che inizia ad andare alla deriva oltre le norme accettabili e generare avvertimenti di conseguenza; gli operatori possono quindi intraprendere azioni preventive prima che si verifichi un guasto catastrofico.

Se appropriato, il sensore potrebbe lavorare in modalità “report per eccezione”, dove trasmette i dati solo se il valore della variabile misurata cambia significativamente dai valori del campione precedente. Questo riduce sia il carico sulla risorsa di calcolo centrale che i requisiti di alimentazione del sensore intelligente – di solito un beneficio critico, poiché il sensore deve fare affidamento su una batteria o sulla raccolta di energia in assenza di alimentazione collegata.

Se il sensore intelligente include due elementi nella sonda, l’autodiagnostica del sensore può essere incorporata. Qualsiasi deriva in sviluppo in una delle uscite degli elementi del sensore può essere rilevata immediatamente. Inoltre, se un sensore si guasta completamente – per esempio, a causa di un cortocircuito – il processo può continuare con il secondo elemento di misurazione. In alternativa, una sonda può contenere due sensori che lavorano insieme per un migliore feedback di monitoraggio.

Smart Sensor: Un esempio pratico

Un’applicazione sviluppata da Texas Instruments fornisce un esempio pratico di un sensore intelligente, e come i suoi blocchi di costruzione lavorano insieme per generare informazioni utili dalla misurazione analogica di corrente e temperatura, oltre a fornire l’intelligenza per le altre funzioni menzionate. L’applicazione utilizza una variante della loro gamma di MCU MSP430 a bassissimo consumo per costruire un indicatore di guasto intelligente per le reti di distribuzione dell’energia elettrica.

Quando sono installati correttamente, gli indicatori di guasto riducono i costi operativi e le interruzioni del servizio fornendo informazioni su una sezione guasta della rete. Allo stesso tempo, il dispositivo aumenta la sicurezza e riduce i danni alle apparecchiature riducendo la necessità di procedure pericolose di diagnosi dei guasti. Gli indicatori di guasto, a causa della loro posizione, sono principalmente alimentati a batteria, quindi il funzionamento a basso consumo è anche altamente auspicabile.

Gli indicatori di guasto – che sono installati sulle giunzioni della rete elettrica aerea – inviano i dati di misurazione della temperatura e della corrente nelle linee di trasmissione di energia in modalità wireless ai concentratori/terminali montati sui pali. I concentratori usano un modem GSM per passare i dati alla rete cellulare e trasmettere informazioni in tempo reale alla stazione principale. La stazione principale può anche controllare ed eseguire la diagnostica sugli indicatori di guasto attraverso questo stesso percorso di dati.

La connessione continua alla stazione principale ha diversi vantaggi. Il primo è la capacità di monitorare a distanza le condizioni di guasto piuttosto che cercarle sul campo. Un indicatore di guasto intelligente può anche monitorare costantemente la temperatura e la corrente in modo che il controllore della stazione principale abbia informazioni in tempo reale sullo stato della rete di distribuzione elettrica. Di conseguenza, i fornitori di energia possono identificare rapidamente la posizione del guasto, ridurre al minimo i tempi di interruzione dell’alimentazione e persino intervenire prima che si verifichi un guasto. I lavoratori della stazione principale possono eseguire la diagnostica sugli indicatori di guasto a intervalli richiesti per controllare che funzionino correttamente.

La figura 2 è uno schema funzionale a blocchi di un indicatore di guasto intelligente basato sul microcontrollore (MCU) TI MSP430 ferroelectric random-access memory (FRAM). Il trasduttore di corrente produce una tensione analogica proporzionale alla corrente della linea elettrica. Un amplificatore operazionale (op amp) amplifica e filtra questo segnale di tensione. Il convertitore analogico-digitale (ADC) sull’MCU campiona l’uscita dell’amplificatore operazionale. Il flusso digitale dall’ADC viene poi analizzato dal software in esecuzione sulla CPU o sull’acceleratore. L’uscita dell’amplificatore operazionale è anche collegata a un comparatore sull’MCU. Il comparatore genera un flag all’unità di elaborazione centrale (CPU) nell’MCU se il livello di ingresso supera una soglia predeterminata.

La potenza di calcolo dell’MSP430 permette l’analisi della misurazione della corrente nel dominio della frequenza che fornisce una visione più profonda dello stato della linea di alimentazione rispetto ai precedenti metodi nel dominio del tempo. Le veloci velocità di lettura e scrittura della FRAM permettono l’accumulo di dati per l’analisi dei modelli, mentre le modalità operative a bassissimo consumo dell’MCU permettono un funzionamento a lunga durata della batteria.

Fabbricazione

Per realizzare il pieno potenziale dell’IoT, i metodi di fabbricazione dei sensori devono continuare a ridurre le dimensioni, il peso, la potenza e il costo (SWaP-C) del componente del sensore e del sistema. La stessa tendenza deve applicarsi all’imballaggio dei sensori, che attualmente rappresenta fino all’80% del costo complessivo e del fattore di forma.

I sensori intelligenti si formano quando gli elementi dei sensori del sistema micro-elettromeccanico (MEMS) sono strettamente integrati con circuiti integrati CMOS (IC). Questi circuiti integrati forniscono la polarizzazione del dispositivo, l’amplificazione del segnale e altre funzioni di elaborazione del segnale. Originariamente, la tecnologia di confezionamento sotto vuoto a livello di wafer (WLVP) utilizzata includeva solo dispositivi sensori discreti, e i sensori intelligenti erano realizzati collegando i chip MEMS discreti ai chip IC attraverso il pacchetto o il substrato della scheda in un approccio chiamato integrazione multi-chip. Un approccio migliorato interconnette il CMOS IC e gli elementi del sensore direttamente, senza l’uso di strati di routing nel pacchetto o nella scheda, in una costruzione nota come system-on-chip (SoC). Rispetto all’approccio di imballaggio discreto multi-chip, il SoC è tipicamente più complesso ma porta a parassitiche ridotte, impronte più piccole, densità di interconnessione più elevate e costi di imballaggio inferiori.

Altri vantaggi dell’intelligenza dei sensori intelligenti

I sensori fotoelettrici intelligenti possono rilevare i modelli nella struttura di un oggetto e qualsiasi cambiamento in essi. Questo avviene autonomamente nel sensore, non in un elemento di calcolo esterno. Questo aumenta la capacità di elaborazione e riduce il carico di elaborazione del processore centrale – o del PLC locale.

La flessibilità di produzione è migliorata – un vantaggio vitale nell’ambiente competitivo di oggi. I sensori intelligenti possono essere programmati a distanza con parametri adeguati ogni volta che è richiesto un cambiamento del prodotto. La produzione, l’ispezione, l’imballaggio e la spedizione possono essere impostati anche per lotti di singole unità a prezzi di produzione di massa, in modo che ogni consumatore possa ricevere un prodotto personalizzato e unico.

Il feedback dei sensori di posizione lineare è stato tradizionalmente ostacolato da problemi relativi al rumore del sistema, all’attenuazione del segnale e alla dinamica di risposta. Ogni sensore aveva bisogno di una messa a punto per superare questi problemi. Honeywell offre una soluzione con i suoi sensori di posizione intelligenti SPS-L075-HALS. Questi possono autocalibrarsi utilizzando una combinazione brevettata di un ASIC e una serie di sensori MR (magnetoresistivi). Questo determina in modo accurato e affidabile la posizione di un magnete attaccato a oggetti in movimento come ascensori, valvole o macchinari.

L’array MR misura l’uscita dei sensori MR montati lungo la direzione di marcia del magnete. L’uscita e la sequenza di sensori MR determinano la coppia di sensori più vicina al centro della posizione del magnete. L’uscita di questa coppia viene poi utilizzata per determinare la posizione del magnete tra di loro. Questa tecnologia senza contatto può fornire una maggiore durata del prodotto e un minor tempo di inattività. Una funzione di autodiagnostica può ridurre ulteriormente i livelli di fermo macchina.

Questi sensori soddisfano anche altri requisiti dei sensori intelligenti IoT. Le loro piccole dimensioni consentono l’installazione dove lo spazio è un premio, mentre le opzioni di tenuta IP67 e IP69K consentono l’implementazione in ambienti difficili. Sono abbastanza intelligenti da sostituire diversi componenti di sensori e interruttori insieme al cablaggio extra, ai componenti esterni e alle connessioni necessarie in precedenza. I sensori sono utilizzati in applicazioni aerospaziali, mediche e industriali.

Sensori intelligenti con capacità di autodiagnostica e riparazione

I sensori intelligenti possono anche essere adatti ad applicazioni critiche per la sicurezza come il rilevamento di gas pericolosi, fuoco o intrusi. Le condizioni in questi ambienti possono essere dure, e i sensori possono essere di difficile accesso per la manutenzione o la sostituzione della batteria, ma l’alta affidabilità è fondamentale. Un team del Lab-STICC Research Center, University of South-Brittany, ha sviluppato una soluzione che migliora l’affidabilità utilizzando sonde doppie e un hardware che può auto-diagnosticarsi e ripararsi.

L’obiettivo finale del loro progetto è integrare tutti gli elementi descritti in un unico dispositivo discreto, adatto per applicazioni come il rilevamento di gas pericolosi in aree come porti o magazzini. Il progetto è incentrato su un nodo che può individuare un guasto interno e intraprendere azioni correttive per migliorare sia l’affidabilità che l’efficienza energetica. Questo riduce la vulnerabilità del nodo e allevia i costi di manutenzione. Il progetto riconosce i limiti di tali sensori: autonomia limitata della batteria, raccolta di energia soggetta a un comportamento inaffidabile della fonte di energia, risorse limitate di elaborazione e memorizzazione, e necessità di comunicazioni wireless.

Il nodo è dotato di due sensori; durante il normale funzionamento, il primo cattura i dati ambientali mentre il secondo viene attivato solo dagli utenti per verificare i dati ottenuti. Se il primo sensore dovesse guastarsi, l’affidabilità del nodo si riduce, mentre la batteria viene sprecata per alimentare il sensore non funzionante. Tuttavia, se il nodo disconnette il primo sensore e passa al secondo, non viene sprecata energia e l’affidabilità del nodo viene mantenuta.

Secondo, l’obiettivo del progetto è stato quello di sviluppare una nuova autodiagnostica basata su test funzionali e fisici per rilevare un guasto hardware in qualsiasi componente del nodo sensore wireless. Questo metodo può identificare esattamente quale componente del nodo si è guastato e indicare l’azione correttiva adatta.

La figura 3 mostra la configurazione hardware del nodo sensore autoconfigurabile. I suoi componenti includono un processore, una memoria RAM/FLASH, un Interface for Actuator and Sensors (IAS) per interfacciarsi con l’ambiente, un Radio Transceiver Module (RTM) per trasmettere e ricevere dati, e una batteria con interruttori di alimentazione (convertitori DC-DC). Il nodo include anche un Power and Availability Manager (PAM) combinato con una zona FPGA-configurabile. Il primo è considerato come la parte intelligente per il miglior uso dell’energia, l’autodiagnosi e la tolleranza ai guasti, mentre l’altro migliora la disponibilità del nodo sensore.

La tabella in Figura 4 mostra come il nodo sensore può rispondere a vari problemi del nodo. L’FPGA contiene una CPU softcore 8051 che viene attivata quando è necessario un miglioramento delle prestazioni o per sostituire il processore principale in caso di guasto. L’FPGA è un Actel tipo IGL00V2, scelto per la sua affidabilità e il basso consumo energetico. Il resto del nodo comprende un processore PIC, una memoria RAM, un modulo ricetrasmettitore radio Miwi, due rilevatori di gas Oldham OLCT 80, interruttori di potenza LM3100 e MAX618 e una batteria.

Conclusione

In questo articolo, abbiamo visto come i produttori di chip e i ricercatori hanno risposto al bisogno di sensori intelligenti dell’IoT. Si è trattato in parte di aggiungere intelligenza e capacità di comunicazione alla funzione base del trasduttore, ma anche di migliorare la fabbricazione. Integrando gli elementi del sensore MEMS e i componenti di calcolo CMOS su un singolo substrato, i sensori intelligenti possono essere implementati in pacchetti piccoli e a basso costo che possono essere incorporati in applicazioni con limitazioni di spazio con resilienza alle loro condizioni ambientali.

Di conseguenza, i progettisti dell’IoT possono ottenere i sensori di cui hanno bisogno – piccoli, economici, resilienti e a bassa potenza abbastanza per una distribuzione ubiquitaria, pur avendo l’intelligenza per fornire informazioni utili oltre ai dati grezzi. Essi facilitano anche l’automazione più flessibile e granulare, in quanto possono accettare i comandi in entrata per la ricalibratura per accogliere i cambiamenti di produzione.

Questo articolo è stato contribuito da Newark element 14, Chicago, IL. Per ulteriori informazioni, clicca qui .