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,因此可以经济地大量部署

  • 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

  • 非常低的功率,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

  • 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

来自多个传感器的信息可以组合和关联,从而推断出潜在问题的结论;例如,温度传感器和振动传感器数据可以用来检测机械故障的发生。在某些情况下,在一个设备中有两种传感器功能;在另一些应用中,这些功能被整合到软件中,形成一个“软”传感器。

制造商的回应: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的智能还可以用于许多其他功能,以减少物联网更多中央资源的负载;例如,校准数据可以发送到MPU,因此传感器可以自动设置以应对任何生产变化。MPU还可以发现任何开始偏离可接受标准的生产参数,并发出相应的警告;操作人员可以在灾难性故障发生之前采取预防措施。

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。

如果智能传感器在探头中包含两个元件,则可以内置传感器自诊断功能。任何一个传感器元件输出中的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,则可以继续使用第二个测量元件。或者,探针可以包含两个一起工作的传感器,以改进监控反馈。

智能传感器:一个实用的例子

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——安装在架空电力线网络的连接处——将电力线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递到蜂窝网络,将实时信息传递到主站。主站还可以通过相同的数据路径对故障指示器进行控制和运行诊断。

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单片机的智能故障指示灯的功能框图。(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的计算能力允许频域电流测量分析,比以前的时域方法更深入地了解电力线状态。快速的FRAM读写速度使模式分析数据的积累成为可能,而MCU的超低功耗工作模式允许延长电池的使用寿命。

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势

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。

具有自我诊断和修复功能的智能传感器

智能传感器还可以很好地适用于安全关键应用,如检测危险气体、火灾或入侵者。这些环境的条件可能会很恶劣,传感器可能很难维护或更换电池,但高可靠性是至关重要的。南布列塔尼大学实验室- sticc研究中心的一个团队一直在开发一种解决方案,通过使用双探头和硬件,可以自我诊断和自我修复,提高可靠性。

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中的表格显示了传感器节点如何响应各种节点问题。FPGA包含一个软核8051 CPU,当需要提高性能或在主处理器故障时激活该CPU。FPGA是Actel型IGL00V2,选择它的可靠性和低功耗。该节点的其余部分包括PIC处理器、RAM内存、Miwi无线电收发模块、两个Oldham OLCT 80气体探测器、LM3100和MAX618电源开关和电池。

结论

在本文中,我们看到了芯片制造商和研究人员如何响应物联网对智能传感器的需求。这在一定程度上是在基本的传感器功能上增加了智能和通信能力,但也涉及到改进的制造。通过将MEMS传感器元件和CMOS计算元件集成到单个基板上,智能传感器可以以小型、低成本的封装实现,可以嵌入空间有限的应用程序中,对环境条件具有弹性。

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yabovip16.com杂志。

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