物联网(IoT)应用——无论是城市基础设施、工厂还是可穿戴设备——都使用大量传感器收集数据,通过互联网传输到一个中央的、基于云的计算资源。运行在云计算机上的分析软件将大量生成的数据转化为用户可操作的信息,并在现场向执行机构发出命令。

传感器是IOT成功的一个关键因素,但这些不是传统类型,即简单地将物理变量转换为电信号。他们需要进化到更复杂的东西,以在IOT环境中对技术和经济上可行的作用进行更加复杂的事情。

本文审查了IOT对其传感器的期望 - 必须采取什么来实现IOT的大传感器阵列的特征。然后它解决了制造商如何通过改善制造,更多的集成和内置智能来回应,现在在广泛使用中达到智能传感器的概念。

除了促进物联网连接之外,传感器智能也将变得明显,还产生了与预测维护,更灵活的制造和提高生产率相关的更多益处。

物联网对传感器的期望是什么?

传统上,传感器是功能简单的设备,可以将物理变量转换成电信号或电气特性的变化。虽然该功能是一个基本的起点,但传感器需要添加以下属性来作为物联网组件:

  • 成本低,因此它们可以在大量的大量部署

  • 身体小,不引人注目地“消失”进入任何环境

  • 无线,作为有线连接通常是不可能的

  • 自我认同和self-validation

  • 电源很低,所以它可以在没有电池变化的情况下存活,或者通过能量收获进行管理

  • 强大,以最小化或消除维护

  • 自我诊断和自我修复

  • 通过无线链路自我校准或接受校准命令

  • 数据预处理,减少网关、plc和云资源的负载

可以组合来自多个传感器的信息与推断关于潜在问题的结论;例如,温度传感器和振动传感器数据可用于检测机械故障的开始。在某些情况下,两个传感器功能可在一个设备中使用;在其他方面,该功能在软件中组合以创建“软”传感器。

制造商的响应:智能传感器解决方案

This section looks at the smart sensors that have been developed for IoT applications in terms of both their building blocks and their fabrication, and then reviews some of the advantages that accrue from the sensors’ in-built intelligence, especially the possibilities for self-diagnostics and repair.

什么是智能传感器,它有什么能力?

我们回顾了物联网对智能传感器的期望,但业界如何回应?现代智能传感器内置了什么?它能做什么?

智能传感器由IOT组件构建,可转换它们测量到数字数据流中的实际变量,以便传输到网关。图1显示了它们如何执行此操作。应用算法由内置微处理器单元(MPU)执行。这些可以运行过滤,补偿和任何其他流程特定的信号调节任务。

图1.智能传感器构建块。(图片:©Premier Farnell Ltd.)

MPU的智能可用于许多其他功能,也可以减少IOT更具中央资源的负载;例如,可以将校准数据发送到MPU,以便传感器自动设置任何生产更改。MPU还可以发现开始漂移超出可接受的规范的任何生产参数,并相应地产生警告;然后,在发生灾难性失败之前,操作员可以采取预防措施。

如果合适,传感器可以在“逐个例外”模式中,如果测量的变量值显着从先前的示例值变化,则仅发送数据。这减少了中央计算资源和智能传感器的电源要求的负载 - 通常是关键效益,因为传感器必须依赖于在没有连接电源的情况下依赖电池或能量收集。

如果智能传感器包括探头中的两个元件,则可以内置传感器自诊断。可以立即检测到传感器元件输出中的一个开发漂移。另外,如果传感器完全失败 - 例如,由于短路 - 该过程可以继续第二测量元件。或者,探头可以包含两个传感器,该传感器一起用于改进的监控反馈。

智能传感器:一个实际的例子

由德州仪器开发的应用程序提供了智能传感器的实际示例,以及其构建块如何共同努力,以从模拟电流和温度测量产生有用的信息,以及为提到的其他功能提供智能。应用程序使用其超低功耗MSP430 MCU范围的变体来构建用于电力分配网络的智能故障指示器。

正确安装时,故障指示灯通过提供有关网络的失败部分的信息来降低运营成本和服务中断。同时,该装置通过减少对危险断层诊断程序的需求来提高安全性并降低设备损坏。由于其位置,故障指示器主要是电池供电,因此低功耗运行也是非常理想的。

故障指示器 - 安装在架空电源线路的连接器上 - 将电力传输线路的温度和电流无线发送到安装在磁极上的集中器/终端单元上。集中器使用GSM调制解调器将数据传递给蜂窝网络以将实时信息中继到主站。主站还可以通过此相同的数据路径控制和运行故障指示符的诊断。

与主站的连续连接有几个优点。首先是能够远程监控故障条件而不是在字段中搜索它们。智能故障指示器也可以不断监控温度和电流,使主站的控制器具有关于配电网络的实时状态信息。因此,电力公用事业提供商可以快速识别故障位置,最小化电源停机时间,甚至在发生故障之前采取动作。主站的工人可以按所需间隔运行故障指示器的诊断,以检查它们是否正常工作。

图2.基于MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框图。(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)的这种智能故障指示器的功能框图。电流换能器产生与电源线电流成比例的模拟电压。运算放大器(运算放大器)放大并滤除该电压信号。MCU上的模数转换器(ADC)采样运算放大器的输出。然后通过在CPU或加速器上运行的软件分析来自ADC的数字流。运算放大器输出也连接到MCU上的比较器。如果输入电平违反预定阈值,比较器在MCU中将标志生成到MCU中的中央处理单元(CPU)。

MSP430的计算功率允许频域电流测量分析,其提供比以前的时间域方法更深入的电力线路状态。快速的FRAM读写速度使得数据的累积能够进行图案分析,而MCU的超低功耗操作模式允许延长电池寿命操作。

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到传感器封装,目前这一领域的成本和形状占总成本的80%。

当微机电系统(MEMS)传感器元件与CMOS集成电路(ICs)紧密集成时,智能传感器就形成了。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,使用的晶圆级真空封装(WLVP)技术只包括离散的传感器设备,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,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,而不使用封装或电路板中的路由层,这种结构称为片上系统(SoC)。与离散多芯片封装方法相比,SoC通常更复杂,但可以减少寄生、更小的占地面积、更高的互连密度和更低的封装成本。

智能传感器智能的其他优点

智能光电传感器可以检测物体结构中的模式和它们的任何变化。这在传感器中自主地发生,而不是在任何外部计算元素中发生。这增加了处理吞吐量并减少了中央处理器或本地PLC的处理负载。

制造灵活性得到改善 - 在当今竞争环境中的一个重要优势。每次需要产品变化时,智能传感器都可以通过合适的参数进行远程编程。生产,检查,包装和发货即使是批量生产价格甚至单位批量尺寸,所以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,信号衰减和响应动态有关的问题被妨碍了。每个传感器都需要调整以克服这些问题。HONEYWELL提供了一种解决方案,具有SPS-L075-HALS智能位置传感器。这些可以通过使用ASIC的专利组合和MR(MAGNE-TORESTISTIVE)传感器的专利组合来自校准。这种精确且可靠地确定连接到移动物体的磁体的位置,例如电梯,阀门或机械。

磁流变阵列测量沿磁体运动方向安装的磁流变传感器的输出。输出和MR传感器序列确定最靠近磁体中心位置的一对传感器。从这对输出然后用来确定磁铁的位置之间的他们。这种非接触式技术可以提高产品寿命和耐用性,减少停机时间。自诊断功能可以进一步减少停机时间。

这些传感器还勾选其他物联网智能传感器要求。它们的小尺寸允许安装空间处于溢价的位置,而IP67和IP69K密封选项则允许部署恶劣环境。它们智能足以用额外的接线,外部组件以及先前需要的连接替换多个传感器和开关组件。传感器用于航空航天,医疗和工业应用。

具有自诊断和修复功能的智能传感器

智能传感器也可以非常适合于安全关键的应用,例如检测危险气体,火灾或入侵者。这些环境中的条件可以是苛刻的,并且传感器可能难以访问维护或电池更换,但高可靠性至关重要。South-Brittany大学Lab-Sticc研究中心的一支团队一直在开发一种通过使用可以自诊断和修复自身的双重探测和硬件来提高可靠性的解决方案。

其项目的最终目标是将描述的所有元件集成在一起,适用于诸如Harbors或仓库等地区的危险气体检测等应用。项目中心在一个节点上可以针对内部故障,采取纠正措施以提高可靠性和能源效率。这会降低节点的漏洞,并减轻维护成本。该设计识别出这种传感器的局限性:限制电池自治,能量收集受不可靠的能源行为,处理和存储资源的限制,以及对无线通信的需求。

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

该节点配有两个传感器;在正常操作期间,首先捕获环境数据,而第二个仅被用户激活以验证所获得的数据。如果第一传感器失败,则节点的可靠性降级,而电池电量正在供应不运行传感器时浪费。但是,如果节点断开第一传感器并切换到第二个传感器并切换到第二个传感器,则不会浪费能量并保持节点可靠性。

因此,该项目的目标是基于功能和物理测试开发一种新颖的自我诊断,以检测无线传感器节点的任何组件中的硬件故障。此方法可以识别哪个节点组件失败并指示适当的补救措施。

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、执行器和传感器接口(IAS)与环境的接口、无线电收发模块(RTM)发送和接收数据,以及带有电源开关(DC-DC转换器)的电池。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。第一个是智能部分,能更好地利用能量、实现自动诊断和容错;另一个是提高传感器节点的可用性。

图4。自我诊断传感器节点的问题和纠正措施。(图片:©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,我们已经看到芯片制造商和研究人员如何应对IOT对智能传感器的需求。这部分是向基本传感器功能添加智能和通信能力的问题,但它还涉及改进的制造。通过将MEMS传感器元件和CMOS计算部件集成到单个基板上,智能传感器可以以小型低成本的包装来实现,该包装可以嵌入空间受限的应用中,其具有对其环境条件的弹性。

因此,物联网设计人员可以为传感器提供所需的传感器 - 对于无处不在的部署,可以提供足够的小,便宜,弹性和低功耗,同时具有智能来提供有用的信息以及原始数据。它们还促进了更灵活,粒度的自动化,因为它们可以接受重新校准以适应生产更改的传入命令。

这篇文章由纽瓦克元素14,芝加哥,IL供贡献。有关更多信息,请单击在这里


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本文首先出现在2018年11月的问题金宝搏官网杂志。

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