Aplikacje Internetu Rzeczy (IoT) – czy to dla infrastruktury miejskiej, fabryk, czy urządzeń noszonych na ciele – wykorzystują duże tablice czujników zbierających dane do transmisji przez Internet do centralnego zasobu obliczeniowego w chmurze. Oprogramowanie analityczne działające na komputerach w chmurze redukuje ogromne ilości generowanych danych do użytecznych informacji dla użytkowników i poleceń dla urządzeń wykonawczych w terenie.

Czujniki są jednym z kluczowych czynników sukcesu IoT, ale nie są to konwencjonalne typy, które po prostu przekształcają zmienne fizyczne w sygnały elektryczne. Muszą one ewoluować w kierunku czegoś bardziej wyrafinowanego, aby pełnić technicznie i ekonomicznie opłacalną rolę w środowisku IoT.

W niniejszym artykule dokonano przeglądu oczekiwań IoT wobec czujników – co należy zrobić, aby osiągnąć duże matryce czujników charakterystyczne dla IoT. Następnie omówiono sposób, w jaki producenci zareagowali, wprowadzając ulepszenia w produkcji, większą integrację i wbudowaną inteligencję, czego kulminacją jest koncepcja inteligentnych czujników będących obecnie w powszechnym użyciu.

Stanie się oczywiste, że inteligencja czujników, oprócz ułatwiania łączności IoT, tworzy również wiele innych korzyści związanych z konserwacją predykcyjną, bardziej elastyczną produkcją i zwiększoną produktywnością.

Czego IoT oczekuje od swoich czujników?

Czujniki są tradycyjnie prostymi funkcjonalnie urządzeniami, które przekształcają zmienne fizyczne w sygnały elektryczne lub zmiany właściwości elektrycznych. Chociaż ta funkcjonalność jest niezbędnym punktem wyjścia, czujniki muszą dodać następujące właściwości, aby działać jako komponenty IoT:

• Niski koszt, więc mogą być ekonomicznie wdrażane w dużej liczbie

• Fizycznie małe, aby „zniknąć” dyskretnie w każdym środowisku

• Bezprzewodowe, ponieważ połączenie przewodowe jest zazwyczaj niemożliwe

• Samoidentyfikacja i samoocena

• Bardzo niskie zużycie energii, więc może przetrwać lata bez wymiany baterii, lub zarządzać za pomocą zbierania energii

• Wytrzymałość, aby zminimalizować lub wyeliminować konserwację

• Samodiagnostyka i samoregeneracja

• Samokalibracja, lub przyjmuje polecenia kalibracji przez łącze bezprzewodowe

• Przetwarzanie wstępne danych w celu zmniejszenia obciążenia bramek, sterowników PLC i zasobów chmury

Informacje z wielu czujników mogą być łączone i korelowane w celu wnioskowania o ukrytych problemach; Na przykład, dane z czujnika temperatury i czujnika drgań mogą być wykorzystane do wykrywania początku awarii mechanicznej. W niektórych przypadkach te dwie funkcje czujników są dostępne w jednym urządzeniu; w innych funkcje są łączone w oprogramowaniu w celu utworzenia „miękkiego” czujnika.

Odpowiedź producentów: Smart Sensor Solutions

Ta sekcja przygląda się inteligentnym czujnikom, które zostały opracowane dla zastosowań IoT, zarówno pod względem ich budowy, jak i produkcji, a następnie dokonuje przeglądu niektórych zalet wynikających z wbudowanej inteligencji czujników, zwłaszcza możliwości autodiagnostyki i naprawy.

Co zawiera inteligentny czujnik i do czego jest zdolny?

Przeglądaliśmy oczekiwania IoT wobec inteligentnego czujnika, ale jak zareagowała na nie branża? Co jest wbudowane w nowoczesny inteligentny czujnik i do czego jest on zdolny?

Smart czujniki są budowane jako komponenty IoT, które przekształcają mierzoną przez siebie zmienną świata rzeczywistego w cyfrowy strumień danych do przesłania do bramy. Rysunek 1 pokazuje, jak to robią. Algorytmy aplikacji są wykonywane przez wbudowaną jednostkę mikroprocesorową (MPU). Mogą one uruchamiać filtrowanie, kompensację i wszelkie inne specyficzne dla procesu zadania kondycjonowania sygnału.

Inteligencja jednostki MPU może być wykorzystywana również do wielu innych funkcji, aby zmniejszyć obciążenie bardziej centralnych zasobów IoT; na przykład dane kalibracyjne mogą być wysyłane do jednostki MPU, dzięki czemu czujnik jest automatycznie ustawiany na wszelkie zmiany w produkcji. MPU może również zauważyć wszelkie parametry produkcyjne, które zaczynają dryfować poza dopuszczalne normy i odpowiednio generować ostrzeżenia; operatorzy mogą wtedy podjąć działania zapobiegawcze, zanim dojdzie do katastrofalnej awarii.

Jeśli jest to właściwe, czujnik może pracować w trybie „raportowania przez wyjątek”, w którym przesyła dane tylko wtedy, gdy mierzona wartość zmienna zmienia się znacząco w stosunku do poprzednich wartości próbki. Zmniejsza to zarówno obciążenie centralnego zasobu obliczeniowego, jak i zapotrzebowanie inteligentnego czujnika na energię – zwykle jest to krytyczna korzyść, ponieważ czujnik musi polegać na baterii lub zbieraniu energii w przypadku braku podłączonego zasilania.

Jeśli inteligentny czujnik zawiera dwa elementy w sondzie, można wbudować autodiagnostykę czujnika. Każdy rozwijający się dryft na wyjściu jednego z elementów czujnika może być natychmiast wykryty. Dodatkowo, jeśli czujnik ulegnie całkowitej awarii – na przykład z powodu zwarcia – proces może być kontynuowany z drugim elementem pomiarowym. Alternatywnie, sonda może zawierać dwa czujniki, które współpracują ze sobą w celu uzyskania lepszej informacji zwrotnej dotyczącej monitorowania.

Smart Sensor: A Practical Example

Aplikacja opracowana przez Texas Instruments stanowi praktyczny przykład inteligentnego czujnika oraz tego, jak jego elementy konstrukcyjne współpracują ze sobą w celu wygenerowania użytecznych informacji z analogowego pomiaru prądu i temperatury, a także zapewnienia inteligencji dla innych wymienionych funkcji. Aplikacja wykorzystuje wariant ich ultra-niskiej mocy MSP430 MCU do budowy inteligentnego wskaźnika awarii dla sieci dystrybucji energii elektrycznej.

Po prawidłowym zainstalowaniu, wskaźniki awarii zmniejszają koszty operacyjne i przerwy w świadczeniu usług poprzez dostarczanie informacji o uszkodzonym odcinku sieci. Jednocześnie urządzenie to zwiększa bezpieczeństwo i zmniejsza uszkodzenia sprzętu poprzez ograniczenie konieczności stosowania niebezpiecznych procedur diagnostyki uszkodzeń. Wskaźniki uszkodzeń, ze względu na swoje umiejscowienie, są głównie zasilane bateryjnie, dlatego bardzo pożądana jest również praca przy niskim poborze mocy.

Wskaźniki uszkodzeń – które są instalowane na węzłach sieci napowietrznych linii energetycznych – wysyłają dane pomiarowe o temperaturze i prądzie w liniach przesyłowych bezprzewodowo do koncentratorów/terminali zamontowanych na słupach. Koncentratory za pomocą modemu GSM przekazują dane do sieci komórkowej, która w czasie rzeczywistym przekazuje informacje do stacji głównej. Stacja główna może również kontrolować i przeprowadzać diagnostykę wskaźników awarii za pośrednictwem tej samej ścieżki danych.

Ciągła łączność ze stacją główną ma kilka zalet. Pierwszą z nich jest możliwość zdalnego monitorowania stanów usterek, zamiast szukania ich w terenie. Inteligentny wskaźnik awarii może również stale monitorować temperaturę i natężenie prądu, dzięki czemu sterownik w stacji głównej posiada informacje o stanie sieci dystrybucyjnej w czasie rzeczywistym. W związku z tym dostawcy energii mogą szybko zidentyfikować lokalizację usterki, zminimalizować przerwy w dostawie energii, a nawet podjąć działania przed wystąpieniem awarii. Pracownicy stacji głównej mogą przeprowadzać diagnostykę wskaźników awarii w wymaganych odstępach czasu, aby sprawdzić, czy działają one prawidłowo.

Figura 2 to funkcjonalny schemat blokowy takiego inteligentnego wskaźnika usterek opartego na mikrokontrolerze (MCU) TI MSP430 ferroelectric random-access memory (FRAM). Przetwornik prądowy wytwarza analogowe napięcie proporcjonalne do prądu linii energetycznej. Wzmacniacz operacyjny (op amp) wzmacnia i filtruje ten sygnał napięciowy. Konwerter analogowo-cyfrowy (ADC) w MCU próbkuje wyjście wzmacniacza operacyjnego. Strumień cyfrowy z przetwornika ADC jest następnie analizowany przez oprogramowanie działające na procesorze lub akceleratorze. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest również podłączone do komparatora w MCU. Komparator generuje flagę do centralnej jednostki obliczeniowej (CPU) w MCU, jeśli poziom wejściowy przekroczy wcześniej ustalony próg.

Moc obliczeniowa MSP430 pozwala na analizę pomiaru prądu w dziedzinie częstotliwości, która zapewnia głębszy wgląd w stan linii zasilającej niż poprzednie metody w dziedzinie czasu. Szybkie prędkości odczytu i zapisu pamięci FRAM umożliwiają gromadzenie danych do analizy wzorców, a tryby pracy MCU o ultra niskim poborze mocy pozwalają na wydłużenie czasu pracy na baterii.

Fabrykacja

Aby zrealizować pełny potencjał IoT, metody produkcji czujników muszą nadal zmniejszać rozmiar, wagę, moc i koszt (SWaP-C) komponentu czujnika i systemu. Ten sam trend musi dotyczyć opakowania czujnika, które obecnie stanowi aż 80% całkowitego kosztu i współczynnika kształtu.

Mądre czujniki powstają, gdy elementy czujnika systemu mikroelektromechanicznego (MEMS) są ściśle zintegrowane z układami scalonymi CMOS. Te układy scalone zapewniają bias urządzenia, wzmocnienie sygnału i inne funkcje przetwarzania sygnału. Pierwotnie technologia pakowania próżniowego na poziomie wafla (WLVP) obejmowała tylko dyskretne urządzenia czujnikowe, a inteligentne czujniki były realizowane poprzez łączenie dyskretnych układów MEMS z układami scalonymi poprzez podłoże opakowania lub płyty w ramach podejścia zwanego integracją wielochipową. Ulepszone podejście łączy układy scalone CMOS i elementy czujników bezpośrednio, bez użycia warstw trasowania w opakowaniu lub płytce, w konstrukcji znanej jako system-on-chip (SoC). W porównaniu z dyskretnym podejściem do pakowania wielochipowego, SoC jest zwykle bardziej złożony, ale prowadzi do zmniejszenia pasożytnictwa, mniejszych śladów, wyższych gęstości połączeń i niższych kosztów pakowania.

Inne zalety inteligentnych czujników

Smart czujniki fotoelektryczne mogą wykrywać wzory w strukturze obiektu i wszelkie zmiany w nich. Dzieje się to autonomicznie w czujniku, a nie w jakimkolwiek zewnętrznym elemencie obliczeniowym. Zwiększa to wydajność przetwarzania i zmniejsza obciążenie procesora centralnego lub lokalnego sterownika PLC.

Poprawa elastyczności produkcji – istotna zaleta w dzisiejszym konkurencyjnym środowisku. Inteligentne czujniki mogą być zdalnie zaprogramowane z odpowiednimi parametrami za każdym razem, gdy wymagana jest zmiana produktu. Produkcja, kontrola, pakowanie i wysyłka mogą być ustawione nawet dla pojedynczych sztuk w cenach produkcji masowej, dzięki czemu każdy konsument może otrzymać spersonalizowany, jednorazowy produkt.

Sprzężenie zwrotne z liniowych czujników położenia było tradycyjnie utrudnione przez problemy związane z szumem systemu, tłumieniem sygnału i dynamiką odpowiedzi. Każdy czujnik wymagał dostrojenia, aby przezwyciężyć te problemy. Firma Honeywell oferuje rozwiązanie w postaci swoich inteligentnych czujników położenia SPS-L075-HALS. Mogą się one samoczynnie kalibrować dzięki zastosowaniu opatentowanej kombinacji układu ASIC i matrycy czujników MR (magnetooporowych). Umożliwia to dokładne i niezawodne określenie położenia magnesu przymocowanego do ruchomych obiektów, takich jak windy, zawory lub maszyny.

Układ czujników MR mierzy sygnał wyjściowy czujników MR zamontowanych wzdłuż kierunku ruchu magnesu. Wyjście i sekwencja czujników MR określają najbliższą parę czujników do środka położenia magnesu. Wyjście z tej pary jest następnie wykorzystywane do określenia położenia magnesu pomiędzy nimi. Ta bezkontaktowa technologia może zapewnić większą trwałość i wytrzymałość produktu oraz krótsze czasy przestojów. Funkcja autodiagnostyki może dodatkowo zmniejszyć poziom przestojów.

Te czujniki spełniają również inne wymagania inteligentnych czujników IoT. Ich niewielkie rozmiary umożliwiają instalację w miejscach o ograniczonej przestrzeni, a opcje uszczelnienia IP67 i IP69K pozwalają na wdrożenie w trudnych warunkach. Są wystarczająco inteligentne, aby zastąpić kilka czujników i przełączników wraz z dodatkowym okablowaniem, komponentami zewnętrznymi i połączeniami, które również były wcześniej potrzebne. Czujniki te są wykorzystywane w przemyśle lotniczym, medycznym i przemysłowym.

Smart Sensors with Self-Diagnostics and Repair Capabilities

Smart Sensors can also be well suitable to safety-critical applications like detection of hazardous gas, fire, or intruders. Warunki w tych środowiskach mogą być trudne, a czujniki mogą być trudno dostępne w celu konserwacji lub wymiany baterii, jednak wysoka niezawodność ma kluczowe znaczenie. Zespół z Lab-STICC Research Center, University of South-Brittany, opracowuje rozwiązanie, które zwiększa niezawodność dzięki zastosowaniu podwójnych sond i sprzętu, który może samodzielnie diagnozować i naprawiać się.

Ostatecznym celem ich projektu jest zintegrowanie wszystkich opisanych elementów w jednym dyskretnym urządzeniu, odpowiednim do zastosowań takich jak wykrywanie niebezpiecznych gazów w obszarach takich jak porty lub magazyny. Projekt koncentruje się na węźle, który może zidentyfikować wewnętrzną awarię i podjąć działania naprawcze w celu poprawy zarówno niezawodności, jak i efektywności energetycznej. Zmniejsza to podatność węzła na uszkodzenia i obniża koszty jego utrzymania. W projekcie uwzględniono ograniczenia takich czujników: ograniczoną autonomię baterii, zbieranie energii podlegające niepewnemu zachowaniu źródła energii, ograniczone zasoby przetwarzania i przechowywania danych oraz potrzebę komunikacji bezprzewodowej.

Węzeł jest wyposażony w dwa czujniki; podczas normalnej pracy pierwszy z nich przechwytuje dane środowiskowe, natomiast drugi jest aktywowany przez użytkowników tylko w celu weryfikacji uzyskanych danych. W przypadku awarii pierwszego czujnika spada niezawodność węzła, a energia z baterii jest marnowana na zasilanie niedziałającego czujnika. Jeśli jednak węzeł odłączy pierwszy czujnik i przełączy się na drugi, energia nie jest marnowana, a niezawodność węzła jest zachowana.

Zgodnie z założeniami, celem projektu było opracowanie nowatorskiej autodiagnostyki opartej na testach funkcjonalnych i fizycznych w celu wykrycia awarii sprzętowej w dowolnym komponencie bezprzewodowego węzła sensorowego. Metoda ta może dokładnie określić, który komponent węzła uległ awarii i wskazać odpowiednie działania zaradcze.

Rysunek 3 przedstawia konfigurację sprzętową samorekonfigurowalnego węzła sensorowego. Jego komponenty obejmują procesor, pamięć RAM/FLASH, Interface for Actuator and Sensors (IAS) do interfejsu ze środowiskiem, Radio Transceiver Module (RTM) do nadawania i odbierania danych oraz baterię z przełącznikami zasilania (konwerterami DC-DC). Węzeł zawiera również Power and Availability Manager (PAM) połączony z konfigurowalną strefą FPGA. Pierwsza z nich jest uważana za inteligentną część zapewniającą najlepsze wykorzystanie energii, autodiagnostykę i tolerancję błędów, podczas gdy druga zwiększa dostępność węzła sensorowego.

Tabela na rysunku 4 pokazuje, jak węzeł czujnikowy może reagować na różne problemy węzła. FPGA zawiera softcore 8051 CPU, który jest aktywowany, gdy potrzebne jest zwiększenie wydajności lub zastąpienie głównego procesora w przypadku jego awarii. FPGA to Actel typ IGL00V2, wybrany ze względu na swoją niezawodność i niskie zużycie energii. Pozostała część węzła składa się z procesora PIC, pamięci RAM, modułu radiowego transceivera Miwi, dwóch detektorów gazu Oldham OLCT 80, przełączników zasilania LM3100 i MAX618 oraz baterii.

Wniosek

W tym artykule widzieliśmy, jak producenci układów scalonych i badacze odpowiadali na zapotrzebowanie IoT na inteligentne czujniki. Po części jest to kwestia dodania inteligencji i możliwości komunikacyjnych do podstawowej funkcji przetwornika, ale wiąże się to również z ulepszoną produkcją. Integrując elementy czujników MEMS i komponenty obliczeniowe CMOS na pojedynczym podłożu, inteligentne czujniki można zaimplementować w małych, tanich pakietach, które mogą być osadzone w aplikacjach o ograniczonej przestrzeni i są odporne na warunki środowiskowe.

W związku z tym projektanci IoT mogą zaopatrywać się w czujniki, których potrzebują – małe, tanie, odporne i o niskim poborze mocy, wystarczające do wszechobecnego wdrożenia, a jednocześnie posiadające inteligencję pozwalającą na dostarczanie użytecznych informacji, jak również surowych danych. Ułatwiają one również bardziej elastyczną, granularną automatyzację, ponieważ mogą przyjmować przychodzące polecenia rekalibracji w celu dostosowania do zmian w produkcji.

Ten artykuł został przygotowany przez Newark element 14, Chicago, IL. Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj .

.