Geavanceerde slimme sensoren die de toekomst van IoT bepalen

Internet of Things (IoT)-toepassingen – of het nu gaat om stadsinfrastructuur, fabrieken of draagbare apparaten – maken gebruik van grote reeksen sensoren die gegevens verzamelen voor verzending via internet naar een centrale, cloudgebaseerde computerbron. Analysesoftware die op de cloudcomputers draait, reduceert de enorme hoeveelheden gegenereerde gegevens tot bruikbare informatie voor gebruikers en opdrachten voor actuatoren in het veld.

Sensoren zijn een sleutelfactor voor het succes van IoT, maar dit zijn geen conventionele typen die fysieke variabelen simpelweg omzetten in elektrische signalen. Ze moesten evolueren naar iets geavanceerder om een technisch en economisch haalbare rol binnen de IoT-omgeving te vervullen.

Dit artikel bespreekt de verwachtingen die het IoT van zijn sensoren heeft:wat er moet gebeuren om de karakteristieke kenmerken van het IoT van de grote sensorarray te bereiken. Vervolgens wordt ingegaan op de manier waarop fabrikanten hebben gereageerd met verbeteringen in de fabricage, meer integratie en ingebouwde intelligentie, met als hoogtepunt het concept van de slimme sensoren die nu op grote schaal worden gebruikt.

Het zal duidelijk worden dat sensorintelligentie, naast het faciliteren van IoT-connectiviteit, ook veel meer voordelen creëert op het gebied van voorspellend onderhoud, flexibelere productie en verbeterde productiviteit.

Wat verwacht het IoT van zijn sensoren?

Sensoren zijn van oudsher functioneel eenvoudige apparaten die fysieke variabelen omzetten in elektrische signalen of veranderingen in elektrische eigenschappen. Hoewel deze functionaliteit een essentieel uitgangspunt is, moeten sensoren de volgende eigenschappen toevoegen om als IoT-componenten te kunnen functioneren:

• Lage kosten, waardoor ze economisch in grote aantallen kunnen worden ingezet

• Fysiek klein, om onopvallend in elke omgeving te ‘verdwijnen’

• Draadloos, omdat een bekabelde verbinding doorgaans niet mogelijk is

• Zelfidentificatie en zelfvalidatie

• Zeer laag stroomverbruik, zodat hij jarenlang kan overleven zonder dat de batterij hoeft te worden vervangen, of door het oogsten van energie

• Robuust, om onderhoud te minimaliseren of te elimineren

• Zelfdiagnostisch en zelfgenezend

• Zelfkalibrerend of accepteert kalibratieopdrachten via draadloze verbinding

• Voorverwerking van gegevens om de belasting van gateways, PLC's en cloudbronnen te verminderen

Informatie van meerdere sensoren kan worden gecombineerd en gecorreleerd om conclusies te trekken over latente problemen; Gegevens van temperatuursensoren en trillingssensoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om het begin van een mechanisch defect te detecteren. In sommige gevallen zijn de twee sensorfuncties in één apparaat beschikbaar; in andere gevallen worden de functies softwarematig gecombineerd tot een ‘zachte’ sensor.

Het antwoord van de fabrikant:slimme sensoroplossingen

In dit gedeelte wordt gekeken naar de slimme sensoren die zijn ontwikkeld voor IoT-toepassingen, zowel qua bouwstenen als qua fabricage, en worden vervolgens enkele voordelen besproken die voortkomen uit de ingebouwde intelligentie van de sensoren, vooral de mogelijkheden voor zelfdiagnostiek en reparatie.

Wat zit er in een slimme sensor en waartoe kan deze?

We hebben de verwachtingen van het IoT ten aanzien van een slimme sensor beoordeeld, maar hoe heeft de industrie hierop gereageerd? Wat zit er in een moderne slimme sensor ingebouwd en waartoe kan deze?

Slimme sensoren zijn gebouwd als IoT-componenten die de reële variabele die ze meten, omzetten in een digitale datastroom voor verzending naar een gateway. Figuur 1 laat zien hoe ze dit doen. De toepassingsalgoritmen worden uitgevoerd door een ingebouwde microprocessoreenheid (MPU). Deze kunnen filtering, compensatie en andere processpecifieke signaalconditioneringstaken uitvoeren.

Figuur 1. Bouwstenen voor slimme sensoren. (Afbeelding:©Premier Farnell Ltd.)

De intelligentie van de MPU kan ook voor veel andere functies worden gebruikt om de belasting van de meer centrale bronnen van het IoT te verminderen; kalibratiegegevens kunnen bijvoorbeeld naar de MPU worden verzonden, zodat de sensor automatisch wordt ingesteld op eventuele productiewijzigingen. De MPU kan ook eventuele productieparameters opmerken die de aanvaardbare normen overschrijden en dienovereenkomstig waarschuwingen genereren; operators kunnen dan preventieve actie ondernemen voordat zich een catastrofale storing voordoet.

Indien van toepassing zou de sensor kunnen werken in de modus “rapporteren per uitzondering”, waarbij hij alleen gegevens verzendt als de gemeten variabelewaarde aanzienlijk verandert ten opzichte van eerdere monsterwaarden. Dit vermindert zowel de belasting van de centrale computerbron als de stroombehoefte van de slimme sensor – meestal een cruciaal voordeel, omdat de sensor afhankelijk is van een batterij of energie moet oogsten als er geen aangesloten stroom is.

Als de slimme sensor twee elementen in de sonde bevat, kan zelfdiagnostiek van de sensor worden ingebouwd. Elke ontwikkeling van drift in een van de uitgangen van het sensorelement kan onmiddellijk worden gedetecteerd. Als een sensor geheel uitvalt, bijvoorbeeld door kortsluiting, kan het proces bovendien doorgaan met het tweede meetelement. Als alternatief kan een sonde twee sensoren bevatten die samenwerken voor een betere monitoringfeedback.

Slimme sensor:een praktijkvoorbeeld

Een door Texas Instruments ontwikkelde applicatie biedt een praktisch voorbeeld van een slimme sensor en hoe de bouwstenen ervan samenwerken om nuttige informatie te genereren uit analoge stroom- en temperatuurmetingen, en om de intelligentie te bieden voor de andere genoemde functies. De applicatie maakt gebruik van een variant van hun ultra-low-power MSP430 MCU-reeks om een slimme foutindicator te bouwen voor elektriciteitsdistributienetwerken.

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

De foutindicatoren – die op de kruispunten van het bovengrondse elektriciteitsnetwerk worden geïnstalleerd – sturen meetgegevens over de temperatuur en stroom in elektriciteitstransmissielijnen draadloos naar de concentrator/terminal-units die op de palen zijn gemonteerd. De concentrators gebruiken een GSM-modem om de gegevens door te geven aan het mobiele netwerk en realtime informatie door te geven aan het hoofdstation. Het hoofdstation kan via hetzelfde gegevenspad ook de foutindicatoren controleren en diagnosticeren.

Een continue verbinding met het centraal station heeft verschillende voordelen. De eerste is de mogelijkheid om foutcondities op afstand te monitoren in plaats van ernaar te zoeken in het veld. Een slimme storingsindicator kan bovendien voortdurend de temperatuur en stroom monitoren, zodat de controller op het hoofdstation realtime statusinformatie heeft over het stroomdistributienetwerk. Dienovereenkomstig kunnen energieleveranciers snel de locatie van de fout identificeren, de stroomonderbreking minimaliseren en zelfs actie ondernemen voordat er een storing optreedt. Werknemers op het hoofdstation kunnen met de vereiste tussenpozen een diagnose van de foutindicatoren uitvoeren om te controleren of deze correct werken.

Figuur 2. Functioneel blokschema van een slimme foutindicator op basis van de MSP430 FRAM MCU. (Afbeelding:Texas Instruments)

Figuur 2 is een functioneel blokdiagram van een dergelijke slimme foutindicator, gebaseerd op de TI MSP430 ferro-elektrische Random Access Memory (FRAM) microcontroller (MCU). De stroomtransducer produceert een analoge spanning die evenredig is met de netstroom. Een operationele versterker (opamp) versterkt en filtert dit spanningssignaal. De analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) op de MCU bemonstert de uitvoer van de opamp. De digitale stroom van de ADC wordt vervolgens geanalyseerd door software die op de CPU of de accelerator draait. De opamp-uitgang is ook verbonden met een comparator op de MCU. De comparator genereert een vlag naar de centrale verwerkingseenheid (CPU) in de MCU als het invoerniveau een vooraf bepaalde drempel overschrijdt.

De rekenkracht van de MSP430 maakt stroommetingsanalyse in het frequentiedomein mogelijk, die een dieper inzicht biedt in de status van de elektriciteitsleiding dan eerdere tijddomeinmethoden. De hoge lees- en schrijfsnelheden van FRAM maken de accumulatie van gegevens voor patroonanalyse mogelijk, terwijl de bedrijfsmodi met ultralaag energieverbruik van de MCU een langere levensduur van de batterij mogelijk maken.

Fabricage

Om het volledige potentieel van het IoT te realiseren, moeten sensorfabricagemethoden de omvang, het gewicht, het vermogen en de kosten (SWaP-C) van de sensorcomponent en het sensorsysteem blijven verminderen. Dezelfde trend moet gelden voor sensorverpakkingen, die momenteel maar liefst 80% van de totale kosten en vormfactor vertegenwoordigen.

Slimme sensoren ontstaan wanneer micro-elektromechanische systeem (MEMS) sensorelementen nauw worden geïntegreerd met CMOS geïntegreerde schakelingen (IC's). Deze IC's bieden apparaatbias, signaalversterking en andere signaalverwerkingsfuncties. Oorspronkelijk omvatte de gebruikte wafer-level vacuümverpakkingstechnologie (WLVP) alleen discrete sensorapparaten, en slimme sensoren werden gerealiseerd door discrete MEMS-chips met IC-chips te verbinden via het pakket of het bordsubstraat in een benadering die multi-chip-integratie wordt genoemd. Een verbeterde aanpak verbindt de CMOS IC- en sensorelementen rechtstreeks met elkaar, zonder het gebruik van routeringslagen in de behuizing of het bord, in een constructie die bekend staat als een system-on-chip (SoC). Vergeleken met de discrete multi-chip verpakkingsaanpak is SoC doorgaans complexer, maar leidt het tot minder parasitaire problemen, kleinere footprints, hogere verbindingsdichtheden en lagere pakketkosten.

Andere voordelen van slimme sensorintelligentie

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

De productieflexibiliteit is verbeterd – een essentieel voordeel in de huidige concurrentieomgeving. Intelligente sensoren kunnen op afstand worden geprogrammeerd met geschikte parameters telkens wanneer een productverandering nodig is. Productie, inspectie, verpakking en verzending kunnen worden ingesteld voor zelfs batchgroottes van één eenheid tegen massaproductieprijzen, zodat elke consument een gepersonaliseerd, uniek product kan ontvangen.

Feedback van lineaire positiesensoren wordt traditioneel gehinderd door problemen met systeemruis, signaalverzwakking en responsdynamiek. Elke sensor moest worden afgestemd om deze problemen te overwinnen. Honeywell biedt een oplossing met hun SPS-L075-HALS slimme positiesensoren. Deze kunnen zichzelf kalibreren door gebruik te maken van een gepatenteerde combinatie van een ASIC en een reeks MR-sensoren (magne-toresistieve). Dit bepaalt nauwkeurig en betrouwbaar de positie van een magneet die is bevestigd aan bewegende objecten zoals liften, kleppen of machines.

De MR-array meet de output van de MR-sensoren die in de bewegingsrichting van de magneet zijn gemonteerd. De uitvoer en de MR-sensorreeks bepalen het dichtstbijzijnde paar sensoren bij het midden van de magneetlocatie. De uitvoer van dit paar wordt vervolgens gebruikt om de positie van de magneet daartussen te bepalen. Deze contactloze technologie kan een langere levensduur en duurzaamheid van het product bieden met minder uitvaltijd. Een zelfdiagnosefunctie kan de downtime verder verminderen.

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

Slimme sensoren met zelfdiagnose en reparatiemogelijkheden

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

Het uiteindelijke doel van hun project is om alle beschreven elementen te integreren in één enkel discreet apparaat, geschikt voor toepassingen zoals detectie van gevaarlijke gassen in gebieden zoals havens of magazijnen. Het project draait om een ​​knooppunt dat 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 het knooppunt en verlaagt de onderhoudskosten. Het ontwerp erkent de beperkingen van dergelijke sensoren:beperkte autonomie van de batterij, het oogsten van energie afhankelijk van onbetrouwbaar gedrag van de energiebron, beperkte verwerkings- en opslagbronnen, en een behoefte aan draadloze communicatie.

Figuur 3. Hardwareconfiguratie van een draadloos sensorknooppunt. (Afbeelding:©Premier Farnell Ltd.)

Het knooppunt is uitgerust met twee sensoren; tijdens normaal gebruik legt de eerste omgevingsgegevens vast, terwijl de tweede alleen door gebruikers wordt geactiveerd om de verkregen gegevens te verifiëren. Als de eerste sensor uitvalt, wordt de betrouwbaarheid van het knooppunt verlaagd, terwijl batterijvermogen wordt verspild aan het voeden van de niet-functionerende sensor. Als het knooppunt echter de eerste sensor loskoppelt en overschakelt naar de tweede, wordt er geen energie verspild en blijft de betrouwbaarheid van het knooppunt behouden.

Het doel van het project was dan ook om een nieuwe zelfdiagnose te ontwikkelen op basis van functionele en fysieke tests om een hardwarefout in een onderdeel van het draadloze sensorknooppunt te detecteren. Deze methode kan precies identificeren welk knooppuntonderdeel defect is en passende herstelmaatregelen aangeven.

Figuur 3 toont de hardwareconfiguratie van het zelfherconfigureerbare sensorknooppunt. De componenten omvatten een processor, een RAM/FLASH-geheugen, een interface voor actuatoren en sensoren (IAS) voor interface met de omgeving, een Radio Transceiver Module (RTM) voor het verzenden en ontvangen van gegevens, en een batterij met stroomschakelaars (DC-DC-converters). Het knooppunt bevat ook een Power and Availability Manager (PAM) in combinatie met een FPGA-configureerbare zone. Het eerste wordt beschouwd als het intelligente onderdeel voor het beste gebruik van energie, autodiagnose en fouttolerantie, terwijl het andere de beschikbaarheid van het sensorknooppunt verbetert.

Figuur 4. Problemen en corrigerende maatregelen voor een zelfdiagnostisch sensorknooppunt. (Afbeelding:©Premier Farnell Ltd.)

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 het knooppunt bestaat uit een PIC-processor, RAM-geheugen, Miwi radiozendontvangermodule, twee Oldham OLCT 80-gasdetectoren, LM3100- en MAX618-stroomschakelaars 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 brengt ook een verbeterde fabricage met zich mee. Door de MEMS-sensorelementen en CMOS-computercomponenten op één enkel substraat te integreren, kunnen slimme sensoren worden geïmplementeerd in kleine, goedkope pakketten die kunnen worden ingebed in toepassingen met beperkte ruimte die bestand zijn tegen hun omgevingsomstandigheden.

Dienovereenkomstig kunnen IoT-ontwerpers de sensoren vinden die ze nodig hebben:klein, goedkoop, veerkrachtig en energiezuinig genoeg voor alomtegenwoordige inzet, terwijl ze over de intelligentie beschikken om zowel nuttige informatie als onbewerkte gegevens te leveren. Ze maken ook een flexibelere, gedetailleerdere automatisering mogelijk, omdat ze inkomende opdrachten kunnen accepteren voor herkalibratie om productiewijzigingen op te vangen.

Dit artikel is bijgedragen door Newark element 14, Chicago, IL. Klik hier voor meer informatie  .