Geavanceerde slimme sensoren sturen de toekomst van IoT

IoT's verwachtingen aan sensoren

Internet of Things (IoT) toepassingen — of nu voor stedelijke infrastructuren, fabrieken, of draagbare apparaten — gebruiken grote arrays van sensoren die data verzamelen voor transmissie via het internet naar een centrale, cloud-gebaseerde computing resource. Analytische software op de cloud computers reduceert de enorme volumes gegenereerde data tot actionable informatie voor gebruikers, en commando's naar actuatoren terug in het veld.

Sensoren zijn een sleutelfactor in IoT-succes, maar dit zijn niet conventionele typen die simpelweg fysieke variabelen omzetten in elektrische signalen. Ze moeten geëvolueerd zijn naar iets meer gesofisticeerds om een technisch en economisch haalbare rol te spelen binnen de IoT-omgeving.

Dit artikel beoordeelt de IoT's verwachtingen aan sensoren — wat gedaan moet worden om de grote sensor array kenmerk van de IoT te bereiken. Daarna adresst het hoe fabricanten hebben gereageerd met verbeteringen in fabricage, meer integratie, en ingebouwde intelligentie, wat uitmondt in het concept van de slimme sensoren nu breed in gebruik.

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

Wat verwacht de IoT van sensoren?

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

• Lage kosten, zodat ze economisch in grote aantallen geïmplementeerd kunnen worden
• Fysiek klein, om "onopvallend" in elke omgeving te verdwijnen
• Draadloos, want een bedrade verbinding is meestal niet mogelijk
• Zelfidentificatie en zelfvalidatie
• Zeer laag vermogen, zodat ze jarenlang kunnen overleven zonder batterijwissel, of kunnen beheren met energy harvesting
• Robuust, om onderhoud te minimaliseren of elimineren
• Zelfdiagnostisch en zelfherstellend
• Zelfkalibrerend, of accepteert kalibratiecommando's via draadloze link
• Data pre-verwerking, om belasting op gateways, PLC's, en cloud resources te reduceren

Informatie van meerdere sensoren kan gecombineerd en gecorreleerd worden om conclusies te trekken over latente problemen; bijvoorbeeld, temperatuursensor en trillingssensor data kunnen gebruikt worden om de aanvang van mechanische storing te detecteren. In sommige gevallen zijn de twee sensorfuncties in één apparaat beschikbaar; in andere worden de functies in software gecombineerd om een 'zachte' sensor te creëren.

Fabricantenreactie: Slimme sensor oplossingen

Deze sectie kijkt naar de slimme sensoren die voor IoT-toepassingen zijn ontwikkeld in termen van zowel hun bouwstenen als hun fabricage, en beoordeelt vervolgens enkele van de voordelen die voortvloeien uit de sensoren's ingebouwde intelligentie, met name de mogelijkheden voor zelfdiagnostiek en reparatie.

Wat zit er in een slimme sensor en wat kan het?

We hebben de IoT's verwachtingen aan een slimme sensor bekeken, maar hoe heeft de industrie gereageerd? Wat zit er in een moderne slimme sensor, en wat is het capabel van?

Slimme sensoren zijn gebouwd als IoT-componenten die de real-world variabele die ze meten omzetten in een digitale datastroom voor transmissie naar een gateway. Figuur 1 toont hoe ze dit doen. De toepassingsalgoritmes worden uitgevoerd door een ingebouwde microprocessor unit (MPU). Deze kunnen filteren, compensatie, en elk ander proces-specifiek signaalconditioneringstaak uitvoeren.

De MPU's intelligentie kan voor veel andere functies gebruikt worden om de belasting op de IoT's meer centrale resources te reduceren; bijvoorbeeld, kalibratiedata kan naar de MPU gestuurd worden zodat de sensor automatisch ingesteld is voor elke productieverandering. De MPU kan ook productieparameters oppikken die anfangen te driften buiten acceptabele normen en daarbij waarschuwingen genereren; operators kunnen dan preventieve actie ondernemen voordat een catastrofale storing optreedt.

Indien geschikt, kan de sensor in "report by exception" modus werken, waar het alleen data transmiteert als de gemeten variabele waarde significant verandert ten opzichte van eerdere steekproefwaarden. Dit vermindert zowel de belasting op de centrale computing resource als de slimme sensor's stroomvereisten — meestal een kritiek voordeel, aangezien de sensor moet vertrouwen op een batterij of energy harvesting bij afwezigheid van aangesloten stroom.

Als de slimme sensor twee elementen in de meetstaf bevat, kan sensor zelfdiagnostiek ingebouwd worden. Elke ontwikkelende drift in een van de sensor element uitgangen kan direct gedetecteerd worden. Bovendien, als een sensor volledig faalt — bijvoorbeeld door een kortsluiting — kan het proces doorgaan met het tweede meetelement. Alternatief kan een meetstaf twee sensoren bevatten die samenwerken voor verbeterde monitoring terugkoppeling.

Praktisch voorbeeld: Slimme foutindicator

Een toepassing ontwikkeld door Texas Instruments biedt een praktisch voorbeeld van een slimme sensor, en hoe de bouwstenen samenwerken om nuttige informatie te genereren uit analoge stroom- en temperatuurmeting, alsook de intelligentie voor de andere genoemde functies. De toepassing gebruikt een variant van hun ultra-laag-energie MSP430 MCU reeks om een slimme foutindicator voor elektrische energiedistributienetwerken te bouwen.

Wanneer correct geïnstalleerd, reduceren foutindicatoren operationele kosten en stroomonderbrekingen door informatie te verstrekken over een gefaalde sectie van het netwerk. Tegelijkertijd verhoogt het apparaat de veiligheid en vermindert apparatuurschade door de noodzaak voor gevaarlijke foutdiagnostische procedures te reduceren. Foutindicatoren, vanwege hun locatie, zijn primair batterij-gevoed, dus laag-energie operatie is ook zeer wenselijk.

De foutindicatoren — geïnstalleerd op de kruispunten van het bovengrondse stroomlijnennetwerk — sturen meetdata over temperatuur en stroom in stroomtransportlijnen draadloos naar de concentrator/terminal eenheden gemonteerd op de palen. De concentratoren gebruiken een GSM modem om de data door te geven aan het cellulair netwerk om real-time informatie naar het hoofdstation te relaye. Het hoofdstation kan ook de foutindicatoren via dezelfde datapad controleren en diagnostiek uitvoeren.

Continue verbinding met het hoofdstation heeft diverse voordelen. Het eerste is de mogelijkheid om foutcondities op afstand te monitoren in plaats van ernaar te zoeken in het veld. Een slimme foutindicator kan ook constant temperatuur en stroom monitoren zodat de controller op het hoofdstation real-time statusinformatie heeft over het energiedistributienetwerk. Dienovereenkomstig kunnen energiebedrijven snel de foutlocatie identificeren, stroomuitval minimaliseren, en zelfs actie ondernemen voordat een storing optreedt. Werknemers op het hoofdstation kunnen diagnostiek op de foutindicatoren op vereiste intervallen uitvoeren om te controleren of ze correct werken.

Fabricage: Naar kleinere, goedkopere, efficiëntere sensoren

Om het volle potentieel van de IoT te realiseren, moeten sensorfabricagemethoden doorgaan met het reduceren van grootte, gewicht, vermogen, en kosten (SWaP-C) van het sensorcomponent en systeem. Dezelfde trend moet gelden voor sensorverpakking, die momenteel rekening houdt voor zoveel als 80% van de totale kosten en vormfactor.

Slimme sensoren ontstaan wanneer micro-electromechanische systeem (MEMS) sensor elementen nauw geïntegreerd worden met CMOS geïntegreerde circuits (ICs). Deze ICs bieden device bias, signaalversterking, en andere signaalverwerkingsfuncties. Oorspronkelijk omvatte de wafer-level vacuum packaging (WLVP) technologie alleen discrete sensorapparaten, en slimme sensoren werden gerealiseerd door discrete MEMS chips te verbinden met IC chips door de verpakking of bordsubstraat in een benadering genaamd multi-chip integratie. Een verbeterde benadering interconnecteert de CMOS IC en sensor elementen direct, zonder gebruik van routing lagen in de verpakking of bord, in een constructie bekend als system-on-chip (SoC). Vergeleken met de discrete multi-chip verpakkingsbenadering, is SoC typisch complexer maar leidt tot gereduceerde parasitair, kleinere voetafdrukken, hogere interconnect dichtheden, en lagere verpakkingskosten.

Overige voordelen van slimme sensor intelligentie

Slimme fotoelektrische sensoren kunnen patronen in een objectstructuur en eventuele veranderingen darin detecteren. Dit gebeurt autonoom in de sensor, niet in enig extern computing element. Dit verhoogt de verwerkingsdoorvoer en vermindert de centrale processor — of lokale PLC's — verwerkingsbelasting.

Productieflexibiliteit wordt verbeterd — een vitaal voordeel in de huidige competitieve omgeving. Intelligente sensoren kunnen op afstand geprogrammeerd worden met geschikte parameters elke keer dat een productverandering vereist is. Productie, inspectie, verpakking, en verzending kunnen ingesteld worden voor zelfs single-unit batchgroottes tegen massaproductieprijzen, zodat elke consument een gepersonaliseerd, uniek product kan ontvangen.

Terugkoppeling van lineaire positie sensoren is traditioneel belemmerd door problemen gerelateerd aan systeemruis, signaaldemping, en responsdynamiek. Elke sensor had afstemming nodig om deze problemen te overwinnen. Honeywell biedt een oplossing met hun SPS-L075-HALS Smart Position Sensoren. Deze kunnen zichzelf kalibreren door een gepatenteerde combinatie van een ASIC en een array van MR (magnetoweerstand) sensoren te gebruiken. Dit bepaalt nauwkeurig en betrouwbaar de positie van een magneet bevestigd aan bewegende objecten zoals liften, kleppen, of machines.

Slimme sensoren met zelfdiagnostiek en reparatiemogelijkheden

Slimme sensoren kunnen ook goed geschikt zijn voor veiligheidskritische toepassingen zoals detectie van gevaarlijk gas, brand, of indringers. Condities in deze omgevingen kunnen hard zijn, en de sensoren kunnen moeilijk bereikbaar zijn voor onderhoud of batterijvervanging, maar hoge betrouwbaarheid is kritiek. Een team aan het Lab-STICC Onderzoekscentrum, Universiteit van Zuid-Brittannië, heeft een oplossing ontwikkeld die betrouwbaarheid verbetert door dubbele meetstaven en hardware die zichzelf kan diagnosticeren en repareren.

Het uiteindelijke doel van hun project is om alle beschreven elementen te integreren in een enkel discreet apparaat, geschikt voor toepassingen zoals gevaarlijke gasdetectie in gebieden zoals havens of magazijnen. Het project richt zich op een knooppunt dat een interne fout kan lokaliseren en correctieve actie kan ondernemen om zowel betrouwbaarheid als energie-efficiëntie te verbeteren. Dit vermindert de kwetsbaarheid van het knooppunt en verlicht onderhoudskosten.

Conclusie

In dit artikel hebben we gezien hoe chipfabrikanten en onderzoekers hebben gereageerd op de IoT's behoefte aan slimme sensoren. Dit is deels een kwestie van intelligentie en communicatiemogelijkheden toevoegen aan de basistransducerfunctie, maar het betreft ook verbeterde fabricage. Door de MEMS sensor elementen en CMOS computing componenten op een enkel substraat te integreren, kunnen slimme sensoren geïmplementeerd worden in kleine, laagkostige pakketten die in ruimtebeperkte toepassingen ingebed kunnen worden met veerkracht tegen hun omgevingscondities.

Dienovereenkomstig kunnen IoT-ontwerpers de sensoren bemachtigen die ze nodig hebben — klein, goedkoop, veerkrachtig, en laag-energie genoeg voor ubiqitaire implementatie, terwijl ze de intelligentie hebben om nuttige informatie alsook ruwe data te leveren. Ze faciliteren ook meer flexibele, granulare automatisering, aangezien ze inkomende commando's voor herkalibratie kunnen accepteren om productieveranderingen te accommoderen.