Aplicațiile Internet of Things (IoT) – fie că este vorba de infrastructuri urbane, fabrici sau dispozitive purtabile – utilizează rețele mari de senzori care colectează date pentru a le transmite prin Internet către o resursă de calcul centrală, bazată pe cloud. Software-ul de analiză care rulează pe computerele din cloud reduce volumele uriașe de date generate în informații acționabile pentru utilizatori și în comenzi pentru actuatori din nou pe teren.

Senzorii sunt un factor cheie în succesul IoT, dar aceștia nu sunt de tipul convențional care convertesc pur și simplu variabilele fizice în semnale electrice. Aceștia au trebuit să evolueze în ceva mai sofisticat pentru a îndeplini un rol viabil din punct de vedere tehnic și economic în cadrul mediului IoT.

Acest articol trece în revistă așteptările pe care IoT le are de la senzorii săi – ce trebuie făcut pentru a realiza matricea mare de senzori caracteristică IoT. Apoi abordează modul în care producătorii au răspuns cu îmbunătățiri în ceea ce privește fabricarea, mai multă integrare și inteligență încorporată, culminând cu conceptul de senzori inteligenți care sunt acum utilizați pe scară largă.

Va deveni evident că inteligența senzorilor, pe lângă facilitarea conectivității IoT, creează și multe alte beneficii legate de întreținerea predictivă, o producție mai flexibilă și o productivitate îmbunătățită.

Ce așteaptă IoT de la senzorii săi?

Senzorii au fost în mod tradițional dispozitive simple din punct de vedere funcțional, care convertesc variabilele fizice în semnale electrice sau modificări ale proprietăților electrice. Deși această funcționalitate este un punct de plecare esențial, senzorii trebuie să adauge următoarele proprietăți pentru a funcționa ca și componente IoT:

• Costuri reduse, astfel încât să poată fi implementați în mod economic în număr mare

• Fizic mici, pentru a „dispărea” discret în orice mediu

• Fără fir, deoarece, de obicei, nu este posibilă o conexiune prin cablu

• Autoidentificare și autovalidare

• Putere foarte redusă, astfel încât poate supraviețui ani de zile fără schimbarea bateriei, sau să se gestioneze cu recoltare de energie

• Robust, pentru a minimiza sau elimina întreținerea

• Autodiagnosticare și autoreglare

• Autocalibrare, sau acceptă comenzi de calibrare prin intermediul unei legături fără fir

• Prelucrarea prealabilă a datelor, pentru a reduce sarcina asupra gateway-urilor, PLC-urilor și resurselor cloud

Informațiile de la mai mulți senzori pot fi combinate și corelate pentru a desprinde concluzii cu privire la probleme latente; de exemplu, datele senzorilor de temperatură și ale senzorilor de vibrații pot fi utilizate pentru a detecta debutul unei defecțiuni mecanice. În unele cazuri, cele două funcții ale senzorilor sunt disponibile într-un singur dispozitiv; în altele, funcțiile sunt combinate în software pentru a crea un senzor „soft”.

Răspunsul producătorilor: Soluții de senzori inteligenți

Această secțiune analizează senzorii inteligenți care au fost dezvoltați pentru aplicațiile IoT, atât în ceea ce privește blocurile de construcție, cât și în ceea ce privește fabricarea lor, apoi trece în revistă unele dintre avantajele care decurg din inteligența încorporată a senzorilor, în special posibilitățile de autodiagnosticare și reparare.

Ce conține un senzor inteligent și de ce este capabil?

Am trecut în revistă așteptările IoT față de un senzor inteligent, dar cum a răspuns industria? Ce este încorporat într-un senzor inteligent modern și de ce este capabil?

Senzorii inteligenți sunt construiți ca și componente IoT care convertesc variabila din lumea reală pe care o măsoară într-un flux de date digitale pentru a fi transmisă către un gateway. Figura 1 arată modul în care aceștia fac acest lucru. Algoritmii aplicației sunt realizați de o unitate microprocesoare (MPU) încorporată. Acestea pot executa filtrarea, compensarea și orice alte sarcini de condiționare a semnalului specifice procesului.

Inteligența MPU-ului poate fi utilizată și pentru multe alte funcții pentru a reduce sarcina asupra resurselor mai centrale ale IoT-ului; de exemplu, datele de calibrare pot fi trimise către MPU, astfel încât senzorul să fie configurat automat pentru orice modificări de producție. MPU poate, de asemenea, să detecteze orice parametru de producție care începe să devieze dincolo de normele acceptabile și să genereze avertismente în consecință; operatorii pot apoi să ia măsuri preventive înainte de a se produce o defecțiune catastrofală.

Dacă este cazul, senzorul ar putea funcționa în modul „raportare prin excepție”, în care transmite date numai dacă valoarea variabilei măsurate se schimbă semnificativ față de valorile eșantioanelor anterioare. Acest lucru reduce atât sarcina asupra resursei de calcul centrale, cât și cerințele de energie ale senzorului inteligent – de obicei, un beneficiu critic, deoarece senzorul trebuie să se bazeze pe o baterie sau pe recoltarea de energie în absența energiei conectate.

Dacă senzorul inteligent include două elemente în sondă, autodiagnoza senzorului poate fi încorporată. Orice derivă în curs de dezvoltare a uneia dintre ieșirile elementelor senzorului poate fi detectată imediat. În plus, în cazul în care un senzor cedează complet – de exemplu, din cauza unui scurtcircuit – procesul poate continua cu cel de-al doilea element de măsurare. Alternativ, o sondă poate conține doi senzori care lucrează împreună pentru un feedback de monitorizare îmbunătățit.

Senzor inteligent: A Practical Example

O aplicație dezvoltată de Texas Instruments oferă un exemplu practic de senzor inteligent și modul în care blocurile sale de construcție lucrează împreună pentru a genera informații utile din măsurarea analogică a curentului și a temperaturii, precum și pentru a furniza inteligența pentru celelalte funcții menționate. Aplicația utilizează o variantă a gamei lor de MCU MSP430 de foarte mică putere pentru a construi un indicator inteligent de avarie pentru rețelele de distribuție a energiei electrice.

Când sunt instalați corespunzător, indicatorii de avarie reduc costurile de operare și întreruperile de serviciu prin furnizarea de informații despre o secțiune defectă a rețelei. În același timp, dispozitivul sporește siguranța și reduce deteriorarea echipamentelor prin reducerea necesității unor proceduri periculoase de diagnosticare a defecțiunilor. Indicatorii de avarie, datorită amplasării lor, sunt alimentați în principal cu baterii, astfel încât funcționarea cu consum redus de energie este, de asemenea, foarte de dorit.

Indicatorii de avarie – care sunt instalați pe joncțiunile rețelei aeriene de linii electrice – trimit date de măsurare privind temperatura și curentul din liniile de transmisie a energiei electrice în mod wireless către unitățile concentratoare/terminale montate pe stâlpi. Concentratoarele utilizează un modem GSM pentru a transmite datele către rețeaua celulară pentru a transmite informații în timp real către stația principală. Stația principală poate, de asemenea, să controleze și să execute diagnosticarea indicatoarelor de avarie prin aceeași cale de date.

Conectarea continuă la stația principală are mai multe avantaje. Primul este capacitatea de a monitoriza de la distanță condițiile de defecțiune, mai degrabă decât să le caute pe teren. Un indicator de avarie inteligent poate, de asemenea, să monitorizeze în mod constant temperatura și curentul, astfel încât controlorul de la stația principală să aibă informații în timp real despre starea rețelei de distribuție a energiei electrice. În consecință, furnizorii de energie electrică pot identifica rapid locația defecțiunii, pot minimiza timpul de întrerupere a alimentării cu energie electrică și chiar pot lua măsuri înainte de apariția unei defecțiuni. Lucrătorii de la stația principală pot rula diagnostice pe indicatorii de avarie la intervalele necesare pentru a verifica dacă aceștia funcționează corect.

Figura 2 este o schemă bloc funcțională a unui astfel de indicator inteligent de avarie bazat pe microcontrolerul (MCU) cu memorie feroelectrică cu acces aleatoriu (FRAM) TI MSP430. Traductorul de curent produce o tensiune analogică proporțională cu curentul din rețeaua electrică. Un amplificator operațional (amplificator operațional) amplifică și filtrează acest semnal de tensiune. Convertorul analog-digital (ADC) de pe MCU eșantionează ieșirea amplificatorului operațional. Fluxul digital de la ADC este apoi analizat de un software care rulează pe CPU sau pe accelerator. Ieșirea amplificatorului operațional este, de asemenea, conectată la un comparator de pe MCU. Comparatorul generează un semnal de avertizare către unitatea centrală de procesare (CPU) din MCU dacă nivelul de intrare transgresează un prag predeterminat.

Puterea de calcul a MSP430 permite o analiză a măsurătorilor de curent în domeniul de frecvență care oferă o perspectivă mai profundă asupra stării liniei electrice decât metodele anterioare în domeniul de timp. Vitezele rapide de citire și scriere FRAM permit acumularea de date pentru analiza modelelor, în timp ce modurile de funcționare cu consum foarte redus de energie ale MCU permit funcționarea pe o durată de viață extinsă a bateriei.

Fabricare

Pentru a realiza întregul potențial al IoT, metodele de fabricare a senzorilor trebuie să continue să reducă dimensiunea, greutatea, puterea și costul (SWaP-C) componentei și sistemului de senzori. Aceeași tendință trebuie să se aplice și în cazul ambalării senzorilor, care în prezent reprezintă până la 80% din costul total și factorul de formă.

Senzorii inteligenți se formează atunci când elementele senzorilor sistemului micro-electromecanic (MEMS) sunt strâns integrate cu circuitele integrate (IC) CMOS. Aceste circuite integrate asigură polarizarea dispozitivului, amplificarea semnalului și alte funcții de procesare a semnalului. Inițial, tehnologia de ambalare în vid la nivel de placă (WLVP) utilizată includea doar dispozitive senzoriale discrete, iar senzorii inteligenți au fost realizați prin conectarea cipurilor MEMS discrete la cipuri IC prin intermediul ambalajului sau al substratului plăcii într-o abordare numită integrare multicip. O abordare îmbunătățită interconectează direct circuitele integrate CMOS și elementele senzoriale, fără a utiliza straturi de rutare în ambalaj sau placă, într-o construcție cunoscută sub numele de sistem pe cip (SoC). În comparație cu abordarea de împachetare multi-chip discretă, SoC este de obicei mai complexă, dar conduce la reducerea paraziților, amprente mai mici, densități de interconectare mai mari și costuri de împachetare mai mici.

Alte avantaje ale inteligenței senzorilor inteligenți

Senzorii fotoelectrici inteligenți pot detecta modele în structura unui obiect și orice modificări ale acestora. Acest lucru se întâmplă în mod autonom în senzor, nu în vreun element de calcul extern. Acest lucru crește randamentul de procesare și reduce sarcina de procesare a procesorului central – sau a PLC-ului local.

Flexibilitatea de fabricație este îmbunătățită – un avantaj vital în mediul concurențial actual. Senzorii inteligenți pot fi programați de la distanță cu parametrii adecvați de fiecare dată când este necesară o modificare a produsului. Producția, inspecția, ambalarea și expedierea pot fi setate chiar și pentru loturi de o singură unitate la prețuri de producție în masă, astfel încât fiecare consumator poate primi un produs personalizat, unic.

Feedback-ul de la senzorii de poziție liniară a fost în mod tradițional îngreunat de probleme legate de zgomotul sistemului, atenuarea semnalului și dinamica răspunsului. Fiecare senzor avea nevoie de reglare pentru a depăși aceste probleme. Honeywell oferă o soluție cu ajutorul senzorilor de poziție inteligenți SPS-L075-HALS. Aceștia se pot autocalibra prin utilizarea unei combinații patentate de un ASIC și o matrice de senzori MR (magnetorezistivi). Acest lucru determină cu precizie și fiabilitate poziția unui magnet atașat la obiecte în mișcare, cum ar fi lifturi, supape sau mașini.

Rețeaua MR măsoară ieșirea senzorilor MR montați de-a lungul direcției de deplasare a magnetului. Ieșirea și secvența de senzori MR determină cea mai apropiată pereche de senzori de centrul locației magnetului. Ieșirea de la această pereche este apoi utilizată pentru a determina poziția magnetului între ele. Această tehnologie fără contact poate oferi o durată de viață și o durabilitate îmbunătățită a produsului, cu mai puține timpii morți. O funcție de autodiagnosticare poate reduce și mai mult nivelul timpilor de nefuncționare.

Acești senzori bifează și alte cerințe ale senzorilor inteligenți IoT. Dimensiunile lor mici permit instalarea acolo unde spațiul este limitat, în timp ce opțiunile de etanșare IP67 și IP69K permit implementarea în medii dificile. Aceștia sunt suficient de inteligenți pentru a înlocui mai multe componente de senzori și comutatoare, împreună cu cablajul suplimentar, componentele externe și conexiunile necesare și anterior. Senzorii sunt utilizați în aplicații aerospațiale, medicale și industriale.

Senzori inteligenți cu autodiagnosticare și capacități de reparare

Senzorii inteligenți pot fi, de asemenea, potriviți pentru aplicații critice de siguranță, cum ar fi detectarea gazelor periculoase, a incendiilor sau a intrușilor. Condițiile din aceste medii pot fi dure, iar senzorii pot fi dificil de accesat pentru întreținere sau înlocuirea bateriei, însă fiabilitatea ridicată este esențială. O echipă de la Lab-STICC Research Center, University of South-Brittany, a dezvoltat o soluție care îmbunătățește fiabilitatea prin utilizarea unor sonde duble și a unui hardware care poate să se autodiagnosticheze și să se repare singur.

Obiectivul final al proiectului lor este de a integra toate elementele descrise într-un singur dispozitiv discret, potrivit pentru aplicații cum ar fi detectarea gazelor periculoase în zone precum porturi sau depozite. Proiectul se axează pe un nod care poate localiza o defecțiune internă și poate lua măsuri corective pentru a îmbunătăți atât fiabilitatea, cât și eficiența energetică. Acest lucru reduce vulnerabilitatea nodului și ameliorează costurile de întreținere. Proiectul recunoaște limitările unor astfel de senzori: autonomie restrânsă a bateriei, recoltare de energie supusă unui comportament nesigur al sursei de energie, resurse limitate de procesare și stocare și nevoia de comunicații fără fir.

Nodul este echipat cu doi senzori; în timpul funcționării normale, primul captează datele de mediu, în timp ce al doilea este activat doar de către utilizatori pentru a verifica datele obținute. Dacă primul senzor se defectează, fiabilitatea nodului este diminuată, în timp ce energia bateriei este irosită pentru alimentarea senzorului nefuncțional. Cu toate acestea, dacă nodul deconectează primul senzor și trece la cel de-al doilea, nu se risipește energie, iar fiabilitatea nodului este menținută.

În consecință, obiectivul proiectului a fost de a dezvolta un nou sistem de autodiagnosticare bazat pe teste funcționale și fizice pentru a detecta o defecțiune hardware în orice componentă a nodului de senzori fără fir. Această metodă poate identifica cu exactitate componenta nodului care a cedat și poate indica măsuri de remediere adecvate.

Figura 3 prezintă configurația hardware a nodului de senzori autoreconfigurabil. Componentele sale includ un procesor, o memorie RAM/FLASH, o interfață pentru acționare și senzori (IAS) pentru interfațarea cu mediul înconjurător, un modul de emisie-recepție radio (RTM) pentru a transmite și a primi date și o baterie cu comutatoare de alimentare (convertoare DC-DC). Nodul include, de asemenea, un Power and Availability Manager (PAM) combinat cu o zonă configurabilă prin FPGA. Prima este considerată ca fiind partea inteligentă pentru cea mai bună utilizare a energiei, autodiagnosticare și toleranță la erori, în timp ce cealaltă îmbunătățește disponibilitatea nodului senzor.

Tabelul din figura 4 arată modul în care nodul senzor poate răspunde la diferite probleme ale nodului. FPGA conține un CPU 8051 softcore care este activat atunci când este necesară îmbunătățirea performanțelor sau pentru a înlocui procesorul principal în cazul în care acesta cedează. FPGA este un FPGA de tip Actel IGL00V2, ales pentru fiabilitatea sa și consumul redus de energie. Restul nodului cuprinde un procesor PIC, o memorie RAM, un modul de emisie-recepție radio Miwi, două detectoare de gaz Oldham OLCT 80, întrerupătoare de putere LM3100 și MAX618 și o baterie.

Concluzie

În acest articol, am văzut cum producătorii de cipuri și cercetătorii au răspuns la nevoia de senzori inteligenți a IoT. Aceasta a fost parțial o chestiune de adăugare a inteligenței și a capacităților de comunicare la funcția de bază a traductorului, dar implică, de asemenea, îmbunătățirea fabricației. Prin integrarea elementelor senzorilor MEMS și a componentelor de calcul CMOS pe un singur substrat, senzorii inteligenți pot fi implementați în pachete mici, cu costuri reduse, care pot fi încorporate în aplicații cu spațiu limitat, cu rezistență la condițiile de mediu ale acestora.

În consecință, proiectanții IoT pot obține senzorii de care au nevoie – suficient de mici, ieftini, rezilienți și cu consum redus de energie pentru o implementare ubicuă, având în același timp inteligența necesară pentru a furniza informații utile, precum și date brute. Aceștia facilitează, de asemenea, o automatizare mai flexibilă și mai granulară, deoarece pot accepta comenzi primite pentru recalibrare pentru a se adapta la schimbările de producție.

Acest articol a fost realizat cu contribuția Newark element 14, Chicago, IL. Pentru mai multe informații, faceți clic aici .

.