Een door Texas Instruments ontwikkelde toepassing geeft een praktisch voorbeeld van een slimme sensor, en hoe de bouwstenen samenwerken om nuttige informatie te genereren uit analoge stroom- en temperatuurmeting, en tevens de intelligentie te leveren voor de andere genoemde functies. De toepassing maakt gebruik van een variant van hun ultra-low-power MSP430 MCU-serie om een slimme storingsindicator voor elektriciteitsdistributienetwerken te bouwen.

Wanneer goed geïnstalleerd, verminderen storingsindicatoren de bedrijfskosten en dienstonderbrekingen door informatie te verstrekken over een defect deel van het netwerk. Tegelijkertijd verhoogt het apparaat de veiligheid en vermindert het de schade aan apparatuur door de noodzaak voor gevaarlijke foutdiagnoseprocedures te verminderen. Foutindicatoren werken, vanwege hun locatie, voornamelijk op batterijen, zodat een laag stroomverbruik ook zeer wenselijk is.

De foutindicatoren – die op de knooppunten van het bovengrondse elektriciteitsnet worden geïnstalleerd – zenden meetgegevens over de temperatuur en de stroom in de elektriciteitstransmissielijnen draadloos naar de concentrators/terminalunits die op de palen zijn gemonteerd. De concentrators gebruiken een GSM-modem om de gegevens door te geven aan het cellulaire netwerk om realtime-informatie door te geven aan het hoofdstation. Het hoofdstation kan via ditzelfde datapad ook de storingsindicatoren bedienen en diagnosticeren.

Continue verbinding met het hoofdstation heeft verschillende voordelen. Het eerste voordeel is de mogelijkheid om storingen op afstand te bewaken in plaats van ze in het veld op te sporen. Een slimme storingsindicator kan ook voortdurend de temperatuur en de stroomsterkte bewaken, zodat de controller in het hoofdstation beschikt over real-time statusinformatie over het stroomdistributienet. Op die manier kunnen elektriciteitsleveranciers snel de plaats van de storing bepalen, de stroomonderbreking tot een minimum beperken en zelfs actie ondernemen voordat een storing optreedt. Werknemers in het hoofdstation kunnen op gezette tijden een diagnose van de storingsindicatoren uitvoeren om te controleren of deze correct werken.

Figuur 2 is een functioneel blokschema van zo’n slimme storingsindicator op basis van de TI MSP430 ferro-elektrisch willekeurig toegankelijk geheugen (FRAM) microcontroller (MCU). De stroomopnemer produceert een analoge spanning die evenredig is met de netstroom. Een operationele versterker (op amp) versterkt en filtert dit spanningssignaal. De analoog-digitaal-omzetter (ADC) op de MCU bemonstert de uitgang van de opversterker. De digitale stroom van de ADC wordt vervolgens geanalyseerd door software die op de CPU of de versneller draait. De uitgang van de op-versterker is ook verbonden met een comparator op de MCU. De comparator genereert een vlag naar de centrale verwerkingseenheid (CPU) in de MCU als het ingangsniveau een vooraf bepaalde drempel overschrijdt.

De rekenkracht van de MSP430 maakt analyse van frequentie-domein stroommetingen mogelijk die een dieper inzicht verschaffen in de status van elektriciteitsleidingen dan eerdere tijd-domein methoden. De snelle FRAM lees-en-schrijfsnelheden maken de accumulatie van gegevens voor patroonanalyse mogelijk, terwijl de MCU’s ultra-low-power werkingsmodi een langere levensduur van de batterij mogelijk maken.

Fabrication

Om het volledige potentieel van het IoT te realiseren, moeten sensor fabricagemethoden doorgaan met het verminderen van de grootte, het gewicht, het vermogen en de kosten (SWaP-C) van de sensorcomponent en het systeem. Dezelfde trend moet gelden voor de verpakking van de sensor, die momenteel tot 80% van de totale kosten en vormfactor uitmaakt.

Slimme sensoren worden gevormd wanneer micro-elektromechanische systeem (MEMS) sensorelementen nauw geïntegreerd zijn met CMOS geïntegreerde circuits (IC’s). Deze IC’s zorgen voor de bias van het apparaat, signaalversterking en andere signaalverwerkingsfuncties. Oorspronkelijk omvatte de gebruikte WLVP-technologie (wafer-level vacuum packaging) alleen discrete sensorelementen, en slimme sensoren werden gerealiseerd door discrete MEMS-chips te verbinden met IC-chips via de verpakking of het bordsubstraat in een aanpak die multi-chip integratie wordt genoemd. Bij een verbeterde aanpak worden het CMOS IC en de sensorelementen rechtstreeks met elkaar verbonden, zonder gebruik te maken van routinglagen in de verpakking of de printplaat, in een constructie die bekend staat als een systeem-op-chip (SoC). In vergelijking met de discrete multi-chip packaging aanpak, is SoC meestal complexer, maar leidt tot verminderde parasitics, kleinere footprints, hogere interconnect dichtheden, en lagere verpakkingskosten.

Andere voordelen van Smart Sensor Intelligence

Slimme foto-elektrische sensoren kunnen patronen in een objectstructuur en eventuele veranderingen daarin detecteren. Dit gebeurt autonoom in de sensor, niet in een extern rekenelement. Dit verhoogt de verwerkingscapaciteit en vermindert de verwerkingsbelasting van de centrale processor – of lokale PLC’s.

De flexibiliteit van de fabricage wordt verbeterd – een vitaal voordeel in de huidige concurrerende omgeving. Intelligente sensoren kunnen op afstand worden geprogrammeerd met geschikte parameters telkens wanneer een productwijziging is vereist. Productie, inspectie, verpakking en verzending kunnen worden ingesteld, zelfs voor enkele stuks tegen massaproductieprijzen, zodat elke consument een persoonlijk, eenmalig product kan ontvangen.

Feedback van lineaire positiesensoren werd traditioneel gehinderd door problemen in verband met systeemruis, signaalverzwakking en reactiedynamiek. Elke sensor moest worden afgesteld om deze problemen te overwinnen. Honeywell biedt een oplossing met hun SPS-L075-HALS Smart Position Sensors. Deze kunnen zichzelf kalibreren door gebruik te maken van een gepatenteerde combinatie van een ASIC en een array van MR (magne-toresistieve) sensoren. Hiermee wordt nauwkeurig en betrouwbaar de positie bepaald van een magneet die is bevestigd aan bewegende voorwerpen zoals liften, kleppen of machines.

De MR-array meet de output van de MR-sensoren die langs de looprichting van de magneet zijn gemonteerd. Aan de hand van de output en de MR-sensorreeks wordt bepaald welk paar sensoren zich het dichtst bij het middelpunt van de magneet bevindt. De output van dit paar wordt vervolgens gebruikt om de positie van de magneet ertussen te bepalen. Deze contactloze technologie kan de levensduur en duurzaamheid van het product verlengen met minder uitvaltijd. Een zelfdiagnosefunctie kan de uitvaltijd verder verminderen.

Deze sensoren voldoen ook aan andere IoT-slimme sensorvereisten. Hun kleine formaat maakt installatie mogelijk waar ruimte schaars is, terwijl IP67- en IP69K-afdichtingsopties inzet in zware omgevingen mogelijk maken. Ze zijn slim genoeg om verschillende sensor- en schakelaarcomponenten te vervangen, samen met de extra bedrading, externe componenten en aansluitingen die voorheen ook nodig waren. De sensoren worden gebruikt in lucht- en ruimtevaart, medische en industriële toepassingen.

Slimme sensoren met zelfdiagnose- en reparatiemogelijkheden

Slimme sensoren kunnen ook zeer geschikt zijn voor veiligheidskritische toepassingen zoals detectie van gevaarlijk gas, brand of indringers. De omstandigheden in deze omgevingen kunnen ruw zijn, en de sensoren kunnen moeilijk toegankelijk zijn voor onderhoud of vervanging van de batterij, maar toch is een hoge betrouwbaarheid van cruciaal belang. Een team van het Lab-STICC Research Center, University of South-Brittany, heeft een oplossing ontwikkeld die de betrouwbaarheid verbetert door gebruik te maken van dubbele sondes en hardware die zelfdiagnose kan stellen en zichzelf kan repareren.

Het uiteindelijke doel van hun project is om alle beschreven elementen te integreren in een enkel discreet apparaat, geschikt voor toepassingen zoals detectie van gevaarlijk gas in gebieden zoals havens of magazijnen. Het project is gericht op een node die een interne storing kan lokaliseren en corrigerende maatregelen kan nemen om zowel de betrouwbaarheid als de energie-efficiëntie te verbeteren. Dit vermindert de kwetsbaarheid van de node en verlicht de onderhoudskosten. Het ontwerp erkent de beperkingen van dergelijke sensoren: beperkte autonomie van de batterij, energie-oogst onderhevig aan onbetrouwbaar gedrag van de energiebron, beperkte verwerkings- en opslagmiddelen, en een behoefte aan draadloze communicatie.

De node is uitgerust met twee sensoren; tijdens normaal bedrijf registreert de eerste de omgevingsgegevens, terwijl de tweede alleen wordt geactiveerd door gebruikers om de verkregen gegevens te verifiëren. Als de eerste sensor uitvalt, wordt de betrouwbaarheid van het knooppunt aangetast, terwijl batterijvermogen wordt verspild aan het voeden van de niet-functionerende sensor. Als het knooppunt echter de eerste sensor loskoppelt en overschakelt op de tweede, wordt geen energie verspild en blijft de betrouwbaarheid van het knooppunt behouden.

Het doel van het project was een nieuwe zelfdiagnose te ontwikkelen op basis van functionele en fysische tests om een hardwarestoring in een willekeurig onderdeel van het draadloze sensorknooppunt te detecteren. Deze methode kan precies vaststellen welke nodecomponent defect is geraakt en passende herstelmaatregelen aangeven.

Figuur 3 toont de hardwareconfiguratie van de zelfherconfigureerbare sensorknoop. De componenten omvatten een processor, een RAM/FLASH geheugen, een Interface voor Actuator en Sensoren (IAS) voor de interface met de omgeving, een Radio Transceiver Module (RTM) voor het zenden en ontvangen van gegevens, en een batterij met vermogensschakelaars (DC-DC converters). Het knooppunt bevat ook een vermogens- en beschikbaarheidsmanager (PAM) in combinatie met een FPGA-configureerbare zone. De eerste wordt beschouwd als het intelligente deel voor het beste gebruik van energie, auto-diagnose en fouttolerantie, terwijl de andere de beschikbaarheid van de sensorknoop verhoogt.

De tabel in figuur 4 laat zien hoe het sensorknooppunt kan reageren op verschillende knooppuntproblemen. De FPGA bevat een softcore 8051 CPU die wordt geactiveerd wanneer prestatieverbetering nodig is of om de hoofdprocessor te vervangen als deze uitvalt. De FPGA is een Actel type IGL00V2, gekozen vanwege zijn betrouwbaarheid en lage stroomverbruik. De rest van de node bestaat uit een PIC-processor, RAM-geheugen, Miwi-radiozendontvangermodule, twee Oldham OLCT 80-gasdetectoren, LM3100- en MAX618-vermogensschakelaars, en een batterij.

Conclusie

In dit artikel hebben we gezien hoe chipfabrikanten en onderzoekers hebben gereageerd op de behoefte van het IoT aan slimme sensoren. Dit is deels een kwestie geweest van het toevoegen van intelligentie en communicatiemogelijkheden aan de basistransducerfunctie, maar het gaat ook om verbeterde fabricage. Door de MEMS-sensorelementen en CMOS-rekencomponenten op een enkel substraat te integreren, kunnen slimme sensoren worden geïmplementeerd in kleine, goedkope pakketten die kunnen worden ingebed in ruimtebeperkte toepassingen met veerkracht tegen hun omgevingsomstandigheden.

Op die manier kunnen IoT-ontwerpers de sensoren kopen die ze nodig hebben – klein, goedkoop, veerkrachtig en met laag vermogen genoeg voor alomtegenwoordig gebruik, terwijl ze de intelligentie hebben om naast ruwe gegevens ook nuttige informatie te leveren. Ze vergemakkelijken ook meer flexibele, korrelige automatisering, omdat ze inkomende opdrachten voor herkalibratie kunnen accepteren om wijzigingen in de productie op te vangen.

Dit artikel is bijgedragen door Newark element 14, Chicago, IL. Voor meer informatie, Klik Hier .

Tech Briefs Magazine

Dit artikel verscheen voor het eerst in het november, 2018 nummer van Tech Briefs Magazine.

Lees hier meer artikelen uit dit nummer.

Lees hier meer artikelen uit de archieven.

SUBSCRIBE