Internet of Things (IoT) aplicativos – seja para infra-estruturas urbanas, fábricas ou dispositivos de desgaste – usam grandes conjuntos de sensores que coletam dados para transmissão pela Internet para um recurso computacional central baseado em nuvem. Os softwares de análise executados nos computadores em nuvem reduzem os enormes volumes de dados gerados em informações acionáveis para os usuários, e os comandos para os atuadores de volta ao campo.

Sensores são um fator chave no sucesso da IdC, mas esses não são tipos convencionais que simplesmente convertem variáveis físicas em sinais elétricos. Eles precisaram evoluir para algo mais sofisticado para desempenhar um papel técnica e economicamente viável dentro do ambiente de IdC.

Este artigo revisa as expectativas da IdC de seus sensores – o que deve ser feito para atingir a característica da grande matriz de sensores da IdC. Depois aborda como os fabricantes responderam com melhorias na fabricação, mais integração e inteligência incorporada, culminando no conceito dos sensores inteligentes agora em amplo uso.

Ficará evidente que a inteligência dos sensores, além de facilitar a conectividade da IdC, também cria muito mais benefícios relacionados à manutenção preditiva, fabricação mais flexível e maior produtividade.

O que espera o IoT de seus sensores?

Os sensores têm sido tradicionalmente dispositivos funcionalmente simples que convertem variáveis físicas em sinais elétricos ou mudanças nas propriedades elétricas. Embora essa funcionalidade seja um ponto de partida essencial, os sensores precisam adicionar as seguintes propriedades para funcionar como componentes IoT:

• Baixo custo, para que possam ser implantados economicamente em grande número

• Fisicamente pequeno, para “desaparecer” discretamente em qualquer ambiente

• Sem fio, como uma conexão com fio normalmente não é possível

• Selff-identification and self-validation

• Muita baixa energia, para que possa sobreviver por anos sem uma mudança de bateria, ou manejar com a coleta de energia

• Robust, para minimizar ou eliminar a manutenção

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  Self-diagnóstico e auto-cura

• Self-calibrating, ou aceita comandos de calibração via wireless link

• Pré-processamento de dados, para reduzir a carga em gateways, PLCs e recursos de nuvem

Informações de múltiplos sensores podem ser combinadas e correlacionadas para inferir conclusões sobre problemas latentes; por exemplo, os dados do sensor de temperatura e do sensor de vibração podem ser usados para detectar o início de uma falha mecânica. Em alguns casos, as duas funções dos sensores estão disponíveis em um dispositivo; em outros, as funções são combinadas em software para criar um sensor ‘soft’.

A Resposta dos Fabricantes: Smart Sensor Solutions

Esta seção examina os sensores inteligentes que foram desenvolvidos para aplicações IoT tanto em termos de seus blocos de construção quanto de sua fabricação, e depois revisa algumas das vantagens que advêm da inteligência incorporada nos sensores, especialmente as possibilidades de auto-diagnóstico e reparo.

O que há em um sensor inteligente e de que é capaz?

Revisamos as expectativas de um sensor inteligente, mas como a indústria respondeu? O que está incorporado num sensor inteligente moderno, e do que ele é capaz?

Smart sensores são construídos como componentes IoT que convertem a variável do mundo real que eles estão medindo em um fluxo de dados digital para transmissão para um gateway. A Figura 1 mostra como eles fazem isso. Os algoritmos da aplicação são executados por uma unidade de microprocessador (MPU) integrada. Estes podem executar tarefas de filtragem, compensação e qualquer outra tarefa de condicionamento de sinal específica do processo.

A inteligência da MPU pode ser usada para muitas outras funções também para reduzir a carga nos recursos mais centrais da IoT; por exemplo, os dados de calibração podem ser enviados para a MPU para que o sensor seja configurado automaticamente para qualquer mudança na produção. A MPU também pode detectar qualquer parâmetro de produção que comece a ir além das normas aceitáveis e gerar avisos de acordo; os operadores podem então tomar medidas preventivas antes que ocorra uma falha catastrófica.

Se apropriado, o sensor pode trabalhar no modo “relatório por exceção”, onde ele só transmite dados se o valor da variável medida mudar significativamente em relação aos valores de amostra anteriores. Isso reduz tanto a carga no recurso de computação central quanto os requisitos de energia do sensor inteligente – geralmente um benefício crítico, pois o sensor deve contar com uma bateria ou com a coleta de energia na ausência de energia conectada.

Se o sensor inteligente incluir dois elementos na sonda, o autodiagnóstico do sensor pode ser incorporado. Qualquer deriva de desenvolvimento em uma das saídas dos elementos sensores pode ser detectada imediatamente. Além disso, se um sensor falhar completamente – por exemplo, devido a um curto-circuito – o processo pode continuar com o segundo elemento de medição. Alternativamente, uma sonda pode conter dois sensores que trabalham em conjunto para uma melhor realimentação do monitoramento.

Smart Sensor: Um Exemplo Prático

Uma aplicação desenvolvida pela Texas Instruments fornece um exemplo prático de um sensor inteligente, e como seus blocos de construção trabalham em conjunto para gerar informações úteis a partir da medição analógica de corrente e temperatura, bem como fornecer a inteligência para as outras funções mencionadas. A aplicação utiliza uma variante da sua gama MSP430 MCU de ultra baixa potência para construir um indicador inteligente de falhas para redes de distribuição de energia elétrica.

Quando instalado corretamente, os indicadores de falhas reduzem os custos operacionais e as interrupções de serviço, fornecendo informações sobre uma seção falhada da rede. Ao mesmo tempo, o dispositivo aumenta a segurança e reduz os danos ao equipamento, reduzindo a necessidade de procedimentos perigosos de diagnóstico de falhas. Os indicadores de falha, devido à sua localização, são principalmente alimentados por bateria, por isso o funcionamento com baixo consumo também é altamente desejável.

Os indicadores de falha – que são instalados nas junções da rede de linhas aéreas – enviam dados de medição sobre a temperatura e corrente nas linhas de transmissão de energia sem fio para as unidades concentrador/terminal montadas nos pólos. Os concentradores usam um modem GSM para passar os dados para a rede celular para retransmitir informações em tempo real para a estação principal. A estação principal também pode controlar e executar diagnósticos nos indicadores de falhas através deste mesmo caminho de dados.

Conexão contínua à estação principal tem várias vantagens. A primeira é a capacidade de monitorar remotamente as condições de falha em vez de procurá-las no campo. Um indicador de falha inteligente também pode monitorar constantemente a temperatura e corrente, para que o controlador na estação principal tenha informações de status em tempo real sobre a rede de distribuição de energia. Assim, os fornecedores de energia elétrica podem identificar rapidamente a localização da falha, minimizar o tempo ocioso de energia e até mesmo tomar medidas antes que uma falha ocorra. Os trabalhadores na estação principal podem executar diagnósticos nos indicadores de falha em intervalos necessários para verificar se estão funcionando corretamente.

Figure 2 é um diagrama de blocos funcionais de um indicador de falha inteligente baseado no microcontrolador (MCU) de memória de acesso aleatório ferroelétrico (FRAM) TI MSP430. O transdutor de corrente produz uma tensão analógica proporcional à corrente da linha de potência. Um amplificador operacional (op amp) amplifica e filtra este sinal de tensão. O conversor analógico-digital (ADC) no MCU recolhe amostras da saída do amplificador op. O fluxo digital do ADC é então analisado por um software rodando na CPU ou no acelerador. A saída do amplificador op também é conectada a um comparador no MCU. O comparador gera uma bandeira para a unidade central de processamento (CPU) na MCU se o nível de entrada ultrapassar um limite pré-determinado.

A potência de computação da MSP430 permite uma análise de medição de corrente de domínio de frequência que fornece uma visão mais profunda do estado da linha de alimentação do que os métodos anteriores de domínio de tempo. As rápidas velocidades de leitura e escrita FRAM permitem o acúmulo de dados para análise de padrão, enquanto que os modos de operação da MCU de ultra-baixo consumo permitem uma operação com maior vida útil da bateria.

Fabricação

Para perceber todo o potencial da IOT, os métodos de fabricação de sensores devem continuar a reduzir o tamanho, peso, potência e custo (SWaP-C) do componente e sistema do sensor. A mesma tendência precisa se aplicar ao empacotamento do sensor, que atualmente representa até 80% do custo total e fator de forma.

Smart sensores se formam quando os elementos sensores do sistema micro-eletromecânico (MEMS) são estreitamente integrados com circuitos integrados CMOS (ICs). Estes ICs fornecem polarização de dispositivos, amplificação de sinal e outras funções de processamento de sinal. Originalmente, a tecnologia de embalagem a vácuo a nível de wafer (WLVP) usada incluía apenas dispositivos sensores discretos, e sensores inteligentes foram realizados conectando chips MEMS discretos a chips IC através da embalagem ou do substrato da placa em uma abordagem chamada integração multi-chip. Uma abordagem melhorada interliga o CI CMOS e os elementos sensores diretamente, sem o uso de camadas de roteamento na embalagem ou placa, em uma construção conhecida como sistema em chip (SoC). Quando comparado com a abordagem discreta de embalagem multi-chip, o SoC é tipicamente mais complexo, mas leva à redução de parasitismo, pegadas menores, maiores densidades de interconexão e menores custos de embalagem.

Outras Vantagens da Inteligência de Sensor Inteligente

Smart sensores fotoelétricos podem detectar padrões em uma estrutura de objeto e quaisquer alterações neles. Isto acontece autonomamente no sensor, e não em qualquer elemento de computação externo. Isto aumenta a capacidade de processamento e reduz a carga de processamento do processador central – ou PLC’s locais.

A flexibilidade de fabricação é melhorada – uma vantagem vital no ambiente competitivo de hoje em dia. Os sensores inteligentes podem ser programados remotamente com parâmetros adequados cada vez que uma mudança de produto é necessária. A produção, inspeção, embalagem e despacho podem ser ajustados até mesmo para lotes de uma unidade a preços de produção em massa, para que cada consumidor possa receber um produto personalizado e único.

Feedback dos sensores de posição linear tem sido tradicionalmente prejudicado por problemas relacionados ao ruído do sistema, atenuação do sinal e dinâmica de resposta. Cada sensor precisava de sintonia para superar esses problemas. A Honeywell oferece uma solução com seus sensores de posição SPS-L075-HALS Smart Position Sensors. Estes podem auto-calibrar-se usando uma combinação patenteada de um ASIC e um conjunto de sensores MR (magne-toresistivo). Isto determina com precisão e confiabilidade a posição de um ímã fixado a objetos móveis como elevadores, válvulas ou máquinas.

A matriz MR mede a saída dos sensores MR montados ao longo da direção de deslocamento do ímã. A saída e a sequência dos sensores MR determinam o par de sensores mais próximo do centro da posição do íman. A saída deste par é então utilizada para determinar a posição do íman entre eles. Esta tecnologia sem contato pode proporcionar maior vida útil e durabilidade do produto com menos tempo de parada. Um recurso de auto-diagnóstico pode reduzir ainda mais os níveis de inatividade.

Esses sensores também marcam outros requisitos do sensor inteligente IoT. Seu tamanho pequeno permite a instalação onde há espaço em um ambiente de alta qualidade, enquanto as opções de vedação IP67 e IP69K permitem a implantação em ambientes agressivos. Eles são inteligentes o suficiente para substituir vários componentes de sensores e interruptores junto com a fiação extra, componentes externos e conexões também necessárias anteriormente. Os sensores são usados em aplicações aeroespaciais, médicas e industriais.

Smart Sensores com Auto-Diagnóstico e Capacidade de Reparo

Smart sensores também podem ser bem adequados para aplicações críticas de segurança como detecção de gás perigoso, incêndio ou intrusos. As condições nestes ambientes podem ser difíceis, e os sensores podem ser de difícil acesso para manutenção ou substituição da bateria, mas a alta confiabilidade é crítica. Uma equipe do Lab-STICC Research Center, Universidade de South-Brittany, tem desenvolvido uma solução que melhora a confiabilidade usando sondas duplas e hardware que pode auto-diagnosticar e reparar a si mesmo.

O objetivo final de seu projeto é integrar todos os elementos descritos em um único dispositivo discreto, adequado para aplicações como detecção de gás perigoso em áreas como portos ou armazéns. O projeto se concentra em um nó que pode identificar uma falha interna e tomar medidas corretivas para melhorar tanto a confiabilidade quanto a eficiência energética. Isto reduz a vulnerabilidade do nó e alivia os custos de manutenção. O projeto reconhece as limitações de tais sensores: autonomia restrita da bateria, coleta de energia sujeita a comportamento não confiável da fonte de energia, recursos limitados de processamento e armazenamento e uma necessidade de comunicações sem fio.

O nó está equipado com dois sensores; durante a operação normal, o primeiro captura dados ambientais enquanto o segundo só é ativado pelos usuários para verificar os dados obtidos. Se o primeiro sensor falhar, a confiabilidade do nó é reduzida, enquanto a energia da bateria é desperdiçada no fornecimento do sensor que não funciona. Entretanto, se o nó desconecta o primeiro sensor e muda para o segundo, nenhuma energia é desperdiçada e a confiabilidade do nó é mantida.

De acordo, o objetivo do projeto foi desenvolver um novo auto-diagnóstico baseado em testes funcionais e físicos para detectar uma falha de hardware em qualquer componente do nó sensor sem fio. Este método pode identificar exatamente qual componente do nó falhou e indicar a ação corretiva adequada.

Figure 3 mostra a configuração de hardware do nó sensor auto-reconfigurável. Seus componentes incluem um processador, uma memória RAM/FLASH, uma Interface para Atuador e Sensores (IAS) para fazer interface com o ambiente, um Módulo Transceptor de Rádio (RTM) para transmitir e receber dados e uma bateria com chaves de alimentação (conversores DC-DC). O nó também inclui um Power and Availability Manager (PAM) combinado com uma zona FPGA-configurável. O primeiro é considerado como a parte inteligente para o melhor uso de energia, auto-diagnóstico e tolerância a falhas, enquanto o outro aumenta a disponibilidade do nó sensor.

A tabela da Figura 4 mostra como o nó sensor pode responder a vários problemas de nó. A FPGA contém uma CPU softcore 8051 que é ativada quando o aumento de desempenho é necessário ou para substituir o processador principal caso ele falhe. O FPGA é um Actel tipo IGL00V2, escolhido por sua confiabilidade e baixo consumo de energia. O restante do nó compreende um processador PIC, memória RAM, módulo transceptor de rádio Miwi, dois detectores de gás Oldham OLCT 80, chaves de alimentação LM3100 e MAX618, e uma bateria.

Conclusion

Neste artigo, temos visto como os fabricantes de chips e pesquisadores têm respondido à necessidade de sensores inteligentes do IoT. Isto tem sido parcialmente uma questão de adicionar inteligência e capacidades de comunicação à função básica do transdutor, mas também envolve uma fabricação melhorada. Ao integrar os elementos sensores MEMS e os componentes de computação CMOS em um único substrato, sensores inteligentes podem ser implementados em pacotes pequenos e de baixo custo que podem ser embutidos em aplicações com restrições de espaço com resiliência às suas condições ambientais.

De acordo com isso, os projetistas de IoT podem obter os sensores de que precisam – pequenos, baratos, resilientes e de baixa potência o suficiente para uma implantação onipresente, ao mesmo tempo em que têm a inteligência para fornecer informações úteis, bem como dados brutos. Eles também facilitam uma automação mais flexível e granular, pois podem aceitar comandos recebidos para recalibração para acomodar mudanças na produção.

Este artigo foi contribuído pelo elemento 14 de Newark, Chicago, IL. Para mais informações, clique aqui .