物联网(IoT)应用——无论是城市基础设施、工厂还是可穿戴设备——使用大量传感器阵列收集数据,通过互联网传输到一个基于云的中央计算资源。运行在云计算上的分析软件将生成的大量数据减少为用户可操作的信息,并命令执行器返回现场。

传感器是物联网成功的一个关键因素,但它们不是简单地将物理变量转换为电子信号的传统类型。它们需要发展成更复杂的东西,在物联网环境中发挥技术和经济上可行的作用。

本文回顾了物联网对传感器的期望——要实现物联网的大型传感器阵列特性必须做些什么。然后,它讨论了制造商如何改进制造、更多集成和内置智能,最终形成了现在广泛使用的智能传感器的概念。

很明显,传感器智能除了促进物联网连接外,还能带来更多与预测性维护、更灵活的制造和提高生产率相关的好处。

物联网对传感器的期望是什么?

传感器传统上是功能简单的设备,将物理变量转换为电信号或电气性能的变化。虽然该功能是一个重要的起点,传感器需要添加以下属性,以执行物联网组件:

  • 低成本,所以它们可以经济地大量部署

  • 体积小,在任何环境中“消失”都不会引人注目

  • 无线,作为有线连接通常是不可能的

  • 自我认同和self-validation

  • 非常低的电量,所以它可以在不更换电池的情况下存活数年,或者通过能量收集来管理

  • 坚固,减少或消除维护

  • 自诊断和自愈

  • 自动校准,或通过无线连接接受校准命令

  • 数据预处理,减轻网关、plc和云资源的负荷

来自多个传感器的信息可以组合和关联来推断潜在问题的结论;例如,温度传感器和振动传感器的数据可以用来检测机械故障的发作。在某些情况下,两个传感器功能可以在一个设备中使用;在另一些软件中,这些功能结合在一起,形成一个“软”传感器。

制造商的回应:智能传感器解决方案

本节将介绍为物联网应用开发的智能传感器,包括其构建模块和制造,然后回顾传感器内置智能带来的一些优势,特别是自我诊断和修复的可能性。

智能传感器有什么功能?

我们回顾了物联网对智能传感器的期望,但行业是如何回应的?现代智能传感器内置了什么,它能做什么?

智能传感器是作为物联网组件构建的,可以将它们测量的现实世界变量转换为数字数据流,并传输到网关。图1显示了它们是如何做到这一点的。应用算法由一个内置的微处理器单元(MPU)执行。它们可以运行过滤、补偿和任何其他特定于进程的信号调理任务。

图1所示。智能传感器模块。(图片来源:Premier Farnell Ltd.)

MPU的智能还可以用于许多其他功能,以减少物联网更集中的资源的负载;例如,校准数据可以发送到微处理器,因此传感器自动设置任何生产变化。MPU还可以发现任何生产参数,开始漂移超过可接受的标准,并产生相应的警告;运营商可以在灾难性故障发生前采取预防措施。

在适当的情况下,传感器可以工作在“异常报告”模式下,只有在被测变量值与之前的样本值有明显变化时才传输数据。这减少了中央计算资源的负载和智能传感器的电源需求——这通常是一个关键的好处,因为传感器必须依赖电池或在没有连接电源的情况下的能量收集。

如果智能传感器在探头中包含两个元件,则可以内置传感器自我诊断。传感器元件输出的任何发展漂移都可以立即检测到。此外,如果传感器完全失效——例如,由于短路——该过程可以继续进行到第二个测量元件。另外,探头可以包含两个传感器,共同工作以改善监测反馈。

智能传感器:一个实用的例子

德州仪器公司开发的一个应用程序提供了一个智能传感器的实际示例,以及其构建模块如何协同工作,从模拟电流和温度测量中生成有用的信息,以及为上述其他功能提供智能。该应用程序使用其超低功耗MSP430单片机范围的一个变体来构建配电网络的智能故障指示器。

正确安装后,故障指示器可以通过提供网络故障部分的信息,降低运行成本和业务中断。同时,通过减少危险故障诊断程序的需要,该设备增加了安全性,并减少了设备损坏。由于故障指示器的位置,它们主要是由电池供电的,所以低功率运行也是非常可取的。

故障指示器——安装在架空电力线网络的连接处——将关于输电线路中温度和电流的测量数据无线发送到安装在电线杆上的集中器/终端单元。集中器使用GSM调制解调器将数据传送到蜂窝网络,将实时信息传送到主站。主站还可以通过相同的数据路径控制和运行故障指示器的诊断。

与主站的连续连接有几个优点。首先是远程监测故障状况的能力,而不是在现场进行搜索。智能故障指示器还可以持续监测温度和电流,使主站的控制器具有关于配电网的实时状态信息。因此,电力供应商可以快速确定故障位置,减少断电时间,甚至在故障发生前采取行动。主站的工作人员可以按要求的时间间隔对故障指示器进行诊断,以检查它们是否正常工作。

图2。一种基于MSP430 FRAM单片机的智能故障指示器功能框图。(图片:德州仪器)

图2是基于TI MSP430铁电随机存取存储器(FRAM)微控制器(MCU)的智能故障指示器的功能框图。电流传感器产生与电力线电流成比例的模拟电压。运算放大器(运放)放大和滤波这个电压信号。单片机上的模数转换器(ADC)对运放的输出进行采样,然后通过在CPU或加速器上运行的软件对从ADC输出的数字流进行分析。运放输出也连接到单片机上的比较器。如果输入水平超过了预先设定的阈值,比较器会向MCU中的中央处理单元(CPU)生成一个标志。

MSP430的计算能力允许频域电流测量分析,提供了比以前的时域方法更深入的洞察电力线状态。快速的FRAM读写速度使模式分析的数据积累成为可能,而MCU的超低功耗运行模式允许延长电池寿命运行。

制造

为了充分发挥物联网的潜力,传感器制造方法必须继续降低传感器组件和系统的尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)。同样的趋势也需要应用于传感器封装,目前传感器封装占总成本和外形因素的80%。

当微机电系统(MEMS)传感器元件与CMOS集成电路(ic)紧密集成时,就形成了智能传感器。这些集成电路提供器件偏置、信号放大和其他信号处理功能。最初,晶片级真空封装(WLVP)技术只包括离散的传感器器件,智能传感器是通过封装或板基板将离散的MEMS芯片连接到IC芯片来实现的,这种方法称为多芯片集成。一种改进的方法直接互连CMOS IC和传感器元件,而不使用封装或板中的路由层,在一个称为芯片系统(SoC)的结构中。与离散多芯片封装方法相比,SoC通常更复杂,但可减少寄生,占地面积更小,互连密度更高,封装成本更低。

智能传感器的其他优势

智能光电传感器可以检测到物体结构的模式和任何变化。这在传感器中自动发生,而不是在任何外部计算元素中。这增加了处理吞吐量,减少了中央处理器或本地PLC的处理负载。

制造业的灵活性得到了提高——这在当今的竞争环境中是一个至关重要的优势。智能传感器可以远程编程与合适的参数,每次产品更改需要。生产、检验、包装和发送都可以以批量生产的价格为单位进行设置,这样每个消费者都可以收到个性化的一次性产品。

线性位置传感器的反馈传统上被与系统噪声、信号衰减和响应动力学有关的问题所阻碍。每个传感器都需要调优来克服这些问题。霍尼韦尔通过其SPS-L075-HALS智能位置传感器提供了一种解决方案。通过使用ASIC和磁阻传感器阵列的专利组合,这些传感器可以自我校准。这种方法可以准确可靠地确定附在电梯、阀门或机械等移动物体上的磁铁的位置。

磁阻阵列测量磁阻传感器沿磁体运动方向的输出。输出和磁流变传感器序列确定离磁体中心位置最近的一对传感器。然后用这对的输出来确定它们之间磁铁的位置。这种非接触技术可以提高产品的寿命和耐久性,减少停机时间。自诊断特性可以进一步减少停机时间。

这些传感器还满足其他物联网智能传感器的要求。它们的体积小,可以在空间狭小的地方安装,而IP67和IP69K密封选项可以在恶劣的环境中部署。它们足够智能,可以替换多个传感器和开关组件,以及之前需要的额外布线、外部组件和连接。这些传感器用于航空航天、医疗和工业应用。

具有自我诊断和修复能力的智能传感器

智能传感器也可以很好地适用于安全关键的应用,如检测危险气体、火灾或入侵者。这些环境的条件可能非常恶劣,传感器很难进行维护或更换电池,但高可靠性是至关重要的。南布列塔尼大学(University of south brittany)实验室- sticc研究中心(Lab-STICC Research Center)的一个团队一直在开发一种解决方案,通过使用双探针和能够自我诊断和自我修复的硬件来提高可靠性。

该项目的最终目标是将所描述的所有元素集成到一个单独的设备中,适用于港口或仓库等地区的危险气体检测。该项目以一个节点为中心,该节点可以确定内部故障,并采取纠正措施,以提高可靠性和能源效率。这样可以减少节点的漏洞,降低维护成本。该设计认识到此类传感器的局限性:受限制的电池自主,能量收集受制于不可靠的能源行为,有限的处理和存储资源,以及对无线通信的需要。

图3。无线传感器节点的硬件配置。(图片来源:Premier Farnell Ltd.)

该节点装有两个传感器;在正常操作期间,第一个捕获环境数据,而第二个仅由用户激活,以验证获得的数据。如果第一个传感器出现故障,节点的可靠性就会降低,而电池的能量就会浪费在为不工作的传感器供电上。但是,如果节点断开第一个传感器,切换到第二个传感器,则不会浪费能量,并保持节点的可靠性。

因此,该项目的目标是开发一种基于功能和物理测试的新型自诊断技术,以检测无线传感器节点任何组件的硬件故障。该方法可以准确地识别出哪个节点组件发生了故障,并指示适当的补救行动。

图3显示了自重构传感器节点的硬件配置。其组件包括处理器、RAM/FLASH存储器、用于与环境接口的驱动器和传感器接口(IAS)、用于发送和接收数据的无线电收发模块(RTM)以及带有电源开关的电池(DC-DC转换器)。该节点还包括一个电源和可用性管理器(PAM)和一个fpga可配置区域。第一个被认为是智能部分的最佳能源使用,自动诊断和容错,而另一个提高传感器节点的可用性。

图4。自诊断传感器节点的问题和纠正措施。(图片来源:Premier Farnell Ltd.)

图4中的表显示了传感器节点如何响应各种节点问题。FPGA包含一个Softcore 8051 CPU,当需要性能增强或如果发生故障时,可激活。FPGA是Actel型IGL00v2,选择可靠性和低功耗。该节点的其余部分包括PIC处理器,RAM存储器,MIWI无线电收发器模块,两个Oldham OLCT 80气体检测器,LM3100和MAX618电源开关以及电池。

结论

在本文中,我们看到了芯片制造商和研究人员如何应对物联网对智能传感器的需求。这在一定程度上是为了在基本的传感器功能上增加智能和通信能力,但也涉及到改进制造。通过将MEMS传感器元件和CMOS计算组件集成到单一的基片上,智能传感器可以在小型、低成本的封装中实现,可以嵌入到空间有限的应用中,并具有对环境条件的弹性。

因此,物联网设计师可以寻找他们需要的传感器——小、便宜、有弹性、低功耗,足以在无处不在的地方部署,同时拥有提供有用信息和原始数据的智能。它们还有助于实现更灵活、粒度更细的自动化,因为它们可以接受传入的命令进行重新校准,以适应生产变化。

本文由Newark element 14贡献,芝加哥,IL.想了解更多信息,请点击在这里


金宝搏官网科技简报》杂志

本文首次发表于2018年11月号金宝搏官网杂志。

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