Sensores inteligentes avançados impulsionando o futuro da IoT

As aplicações da Internet das Coisas (IoT) — seja para infraestruturas urbanas, fábricas ou dispositivos vestíveis — utilizam grandes conjuntos de sensores que coletam dados para transmissão pela Internet para um recurso de computação central baseado em nuvem. O software de análise executado nos computadores em nuvem reduz os enormes volumes de dados gerados em informações acionáveis ​​para os usuários e comandos para os atuadores em campo.



Os sensores são um fator chave para o sucesso da IoT, mas não são tipos convencionais que simplesmente convertem variáveis físicas em sinais elétricos. Eles precisaram evoluir para algo mais sofisticado para desempenhar um papel técnica e economicamente viável no ambiente IoT.

Este artigo analisa as expectativas da IoT em relação aos seus sensores – o que deve ser feito para atingir as características do grande conjunto de sensores da IoT. Em seguida, aborda como os fabricantes responderam com melhorias na fabricação, mais integração e inteligência integrada, culminando no conceito de sensores inteligentes agora amplamente utilizados.

Ficará evidente que a inteligência dos sensores, além de facilitar a conectividade IoT, também cria muitos mais benefícios relacionados à manutenção preditiva, fabricação mais flexível e maior produtividade.

O que a IoT espera de seus sensores?

Os sensores têm sido tradicionalmente dispositivos funcionalmente simples que convertem variáveis físicas em sinais elétricos ou mudanças nas propriedades elétricas. Embora esta funcionalidade seja um ponto de partida essencial, os sensores precisam adicionar as seguintes propriedades para funcionarem como componentes IoT:

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  Baixo custo, para que possam ser implantados economicamente em grandes números
  
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  Fisicamente pequeno, para “desaparecer” discretamente em qualquer ambiente
  
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  Sem fio, já que normalmente não é possível uma conexão com fio
  
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  Autoidentificação e autovalidação
  
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  Potência muito baixa, por isso pode sobreviver por anos sem troca de bateria ou funcionar com coleta de energia
  
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  Robusto, para minimizar ou eliminar a manutenção
  
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  Autodiagnóstico e autocura
  
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  Auto-calibração ou aceita comandos de calibração via link sem fio
  
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  Pré-processamento de dados, para reduzir a carga em gateways, PLCs e recursos de nuvem
  

As informações de múltiplos sensores podem ser combinadas e correlacionadas para inferir conclusões sobre problemas latentes; por exemplo, os dados do sensor de temperatura e do sensor de vibração podem ser usados ​​para detectar o início de falha mecânica. Em alguns casos, as duas funções do sensor estão disponíveis em um dispositivo; em outros, as funções são combinadas em software para criar um sensor “suave”.

A resposta dos fabricantes:soluções de sensores inteligentes

Esta seção analisa os sensores inteligentes que foram desenvolvidos para aplicações IoT em termos de seus blocos de construção e de sua fabricação e, em seguida, analisa algumas das vantagens resultantes da inteligência incorporada dos sensores, especialmente as possibilidades de autodiagnóstico e reparo.

O que é um sensor inteligente e do que ele é capaz?

Analisamos as expectativas da IoT em relação a um sensor inteligente, mas como a indústria respondeu? O que está integrado em um sensor inteligente moderno e do que ele é capaz?

Sensores inteligentes são construídos como componentes de IoT que convertem a variável do mundo real que estão medindo em um fluxo de dados digital para transmissão a um gateway. A Figura 1 mostra como eles fazem isso. Os algoritmos de aplicação são executados por uma unidade de microprocessador integrada (MPU). Eles podem executar filtragem, compensação e quaisquer outras tarefas de condicionamento de sinal específicas do processo.
Figura 1. Blocos de construção do sensor inteligente. (Imagem:© Premier Farnell Ltd.)
A inteligência da MPU também pode ser usada para muitas outras funções para reduzir a carga nos recursos mais centrais da IoT; por exemplo, os dados de calibração podem ser enviados à MPU para que o sensor seja configurado automaticamente para quaisquer alterações de produção. A MPU também pode detectar quaisquer parâmetros de produção que comecem a ultrapassar as normas aceitáveis ​​e gerar avisos em conformidade; os operadores podem então tomar medidas preventivas antes que ocorra uma falha catastrófica.

Se apropriado, o sensor pode funcionar no modo “relatório por exceção”, onde só transmite dados se o valor da variável medida mudar significativamente em relação aos valores de amostra anteriores. Isto reduz tanto a carga no recurso de computação central quanto os requisitos de energia do sensor inteligente – geralmente um benefício crítico, já que o sensor deve depender de uma bateria ou de coleta de energia na ausência de energia conectada.

Se o sensor inteligente incluir dois elementos na sonda, o autodiagnóstico do sensor poderá ser integrado. Qualquer desvio em desenvolvimento em uma das saídas do elemento sensor pode ser detectado imediatamente. Além disso, se um sensor falhar totalmente – por exemplo, devido a um curto-circuito – o processo pode continuar com o segundo elemento de medição. Alternativamente, uma sonda pode conter dois sensores que trabalham juntos para melhorar o feedback de monitoramento.

Sensor Inteligente:Um Exemplo Prático

Um aplicativo desenvolvido pela Texas Instruments fornece um exemplo prático de um sensor inteligente e como seus blocos de construção funcionam juntos para gerar informações úteis a partir de medições analógicas de corrente e temperatura, além de fornecer inteligência para as outras funções mencionadas. O aplicativo usa uma variante de sua linha MSP430 MCU de consumo ultrabaixo para construir um indicador inteligente de falhas para redes de distribuição de energia elétrica.

Quando instalados corretamente, os indicadores de falha reduzem os custos operacionais e as interrupções de serviço, fornecendo informações sobre uma seção da rede com falha. Ao mesmo tempo, o dispositivo aumenta a segurança e reduz os danos ao equipamento, reduzindo a necessidade de procedimentos perigosos de diagnóstico de falhas. Os indicadores de falha, devido à sua localização, são principalmente alimentados por bateria, portanto a operação com baixo consumo de energia também é altamente desejável.

Os indicadores de falha - que são instalados nas junções da rede aérea de linhas de energia - enviam dados de medição sobre a temperatura e a corrente nas linhas de transmissão de energia sem fio para os concentradores/unidades terminais montadas nos postes. Os concentradores usam um modem GSM para passar os dados para a rede celular e retransmitir informações em tempo real para a estação principal. A estação principal também pode controlar e executar diagnósticos nos indicadores de falha através deste mesmo caminho de dados.

A ligação contínua à estação principal apresenta diversas vantagens. A primeira é a capacidade de monitorar remotamente as condições de falha, em vez de procurá-las no campo. Um indicador de falha inteligente também pode monitorar constantemente a temperatura e a corrente, para que o controlador na estação principal tenha informações de status em tempo real sobre a rede de distribuição de energia. Conseqüentemente, os fornecedores de energia podem identificar rapidamente o local da falha, minimizar o tempo de inatividade de energia e até mesmo tomar medidas antes que ocorra uma falha. Os trabalhadores da estação principal podem executar diagnósticos nos indicadores de falha nos intervalos necessários para verificar se estão funcionando corretamente.
Figura 2. Diagrama de blocos funcionais de um indicador de falha inteligente baseado no MSP430 FRAM MCU. (Imagem:Texas Instruments)
A Figura 2 é um diagrama de blocos funcional de um indicador de falha inteligente baseado no microcontrolador (MCU) de memória ferroelétrica de acesso aleatório (FRAM) TI MSP430. O transdutor de corrente produz uma tensão analógica proporcional à corrente da linha de energia. Um amplificador operacional (amplificador operacional) amplifica e filtra esse sinal de tensão. O conversor analógico-digital (ADC) no MCU faz uma amostragem da saída do amplificador operacional. O fluxo digital do ADC é então analisado pelo software executado na CPU ou acelerador. A saída do amplificador operacional também está conectada a um comparador no MCU. O comparador gera um sinalizador para a unidade central de processamento (CPU) no MCU se o nível de entrada transgredir um limite predeterminado.

O poder de computação do MSP430 permite análises de medição de corrente no domínio da frequência que fornecem uma visão mais profunda do status da linha de energia do que os métodos anteriores no domínio do tempo. As rápidas velocidades de leitura e gravação FRAM permitem o acúmulo de dados para análise de padrões, enquanto os modos de operação de consumo ultrabaixo de energia do MCU permitem uma operação com vida útil prolongada da bateria.

Fabricação

Para aproveitar todo o potencial da IoT, os métodos de fabricação de sensores devem continuar a reduzir o tamanho, peso, potência e custo (SWaP-C) do componente e sistema do sensor. A mesma tendência precisa se aplicar à embalagem do sensor, que atualmente representa até 80% do custo total e do formato.

Sensores inteligentes se formam quando os elementos sensores do sistema microeletromecânico (MEMS) estão intimamente integrados aos circuitos integrados (ICs) CMOS. Esses ICs fornecem polarização de dispositivo, amplificação de sinal e outras funções de processamento de sinal. Originalmente, a tecnologia de embalagem a vácuo de nível de wafer (WLVP) usada incluía apenas dispositivos sensores discretos, e sensores inteligentes foram realizados conectando chips MEMS discretos a chips IC por meio do pacote ou substrato da placa em uma abordagem chamada integração de vários chips. Uma abordagem aprimorada interconecta o IC CMOS e os elementos sensores diretamente, sem o uso de camadas de roteamento no pacote ou placa, em uma construção conhecida como system-on-chip (SoC). Quando comparado à abordagem de empacotamento discreto de múltiplos chips, o SoC é normalmente mais complexo, mas leva à redução de parasitas, pegadas menores, densidades de interconexão mais altas e custos de pacote mais baixos.

Outras vantagens da inteligência de sensor inteligente

Sensores fotoelétricos inteligentes podem detectar padrões na estrutura de um objeto e quaisquer alterações neles. Isto acontece de forma autônoma no sensor, e não em qualquer elemento de computação externo. Isso aumenta o rendimento do processamento e reduz a carga de processamento do processador central — ou PLC local.

A flexibilidade de fabricação é melhorada – uma vantagem vital no ambiente competitivo atual. Sensores inteligentes podem ser programados remotamente com parâmetros adequados sempre que for necessária uma troca de produto. A produção, a inspeção, a embalagem e a expedição podem ser definidas até mesmo para tamanhos de lote de uma única unidade a preços de produção em massa, para que cada consumidor possa receber um produto personalizado e único.

O feedback dos sensores de posição linear tem sido tradicionalmente prejudicado por problemas relacionados ao ruído do sistema, atenuação do sinal e dinâmica de resposta. Cada sensor precisava de ajuste para superar esses problemas. A Honeywell oferece uma solução com seus sensores de posição inteligentes SPS-L075-HALS. Eles podem ser autocalibrados usando uma combinação patenteada de um ASIC e uma série de sensores MR (magne-torresistivos). Isso determina com precisão e confiabilidade a posição de um ímã preso a objetos em movimento, como elevadores, válvulas ou máquinas.

O conjunto MR mede a saída dos sensores MR montados ao longo da direção de deslocamento do ímã. A saída e a sequência do sensor MR determinam o par de sensores mais próximo do centro da localização do ímã. A saída deste par é então usada para determinar a posição do ímã entre eles. Essa tecnologia sem contato pode proporcionar maior vida útil e durabilidade do produto com menos tempo de inatividade. Um recurso de autodiagnóstico pode reduzir ainda mais os níveis de tempo de inatividade.

Esses sensores também atendem a outros requisitos de sensores inteligentes de IoT. Seu tamanho pequeno permite a instalação onde o espaço é escasso, enquanto as opções de vedação IP67 e IP69K permitem a implantação em ambientes agressivos. Eles são inteligentes o suficiente para substituir vários sensores e componentes de chave, juntamente com a fiação extra, componentes externos e conexões também necessárias anteriormente. Os sensores são usados ​​em aplicações aeroespaciais, médicas e industriais.

Sensores inteligentes com autodiagnóstico e recursos de reparo

Os sensores inteligentes também podem ser adequados para aplicações críticas de segurança, como detecção de gases perigosos, incêndio ou intrusos. As condições nesses ambientes podem ser adversas e os sensores podem ser de difícil acesso para manutenção ou substituição de baterias, mas a alta confiabilidade é crítica. Uma equipe do Centro de Pesquisa Lab-STICC, da Universidade do Sul da Bretanha, vem desenvolvendo uma solução que melhora a confiabilidade usando sondas duplas e hardware que pode autodiagnosticar e reparar a si mesmo.

O objetivo final do seu projeto é integrar todos os elementos descritos em um único dispositivo discreto, adequado para aplicações como detecção de gases perigosos em áreas como portos ou armazéns. O projeto centra-se num nó que pode identificar uma falha interna e tomar medidas corretivas para melhorar a confiabilidade e a eficiência energética. Isto reduz a vulnerabilidade do nó e alivia os custos de manutenção. O projeto reconhece as limitações de tais sensores:autonomia restrita da bateria, captação de energia sujeita a comportamento não confiável da fonte de energia, recursos limitados de processamento e armazenamento e necessidade de comunicações sem fio.
Figura 3. Configuração de hardware de um nó sensor sem fio. (Imagem:© Premier Farnell Ltd.)
O nó está equipado com dois sensores; durante a operação normal, o primeiro captura dados ambientais enquanto o segundo só é ativado pelos usuários para verificar os dados obtidos. Se o primeiro sensor falhar, a confiabilidade do nó será prejudicada, enquanto a energia da bateria será desperdiçada no fornecimento do sensor que não funciona. Entretanto, se o nó desconectar o primeiro sensor e passar para o segundo, nenhuma energia será desperdiçada e a confiabilidade do nó será mantida.

Assim, o objetivo do projeto foi desenvolver um novo autodiagnóstico baseado em testes funcionais e físicos para detectar uma falha de hardware em qualquer componente do nó sensor sem fio. Este método pode identificar exatamente qual componente do nó falhou e indicar ações corretivas adequadas.

A Figura 3 mostra a configuração de hardware do nó sensor auto-reconfigurável. Seus componentes incluem um processador, uma memória RAM/FLASH, uma Interface para Atuadores e Sensores (IAS) para interface com o ambiente, um Módulo Transceptor de Rádio (RTM) para transmissão e recepção de dados e uma bateria com interruptores de alimentação (conversores DC-DC). O nó também inclui um Power and Availability Manager (PAM) combinado com uma zona configurável por FPGA. O primeiro é considerado a parte inteligente para melhor aproveitamento de energia, autodiagnóstico e tolerância a falhas, enquanto o outro aumenta a disponibilidade do nó sensor.
Figura 4. Problemas e ações corretivas para um nó sensor de autodiagnóstico. (Imagem:© Premier Farnell Ltd.)
A tabela na Figura 4 mostra como o nó sensor pode responder a vários problemas do nó. O FPGA contém uma CPU softcore 8051 que é ativada quando é necessário melhorar o desempenho ou para substituir o processador principal em caso de falha. O FPGA é um Actel tipo IGL00V2, escolhido por sua confiabilidade e baixo consumo de energia. O restante do nó compreende um processador PIC, memória RAM, módulo transceptor de rádio Miwi, dois detectores de gás Oldham OLCT 80, interruptores de alimentação LM3100 e MAX618 e uma bateria.

Conclusão

Neste artigo, vimos como os fabricantes de chips e pesquisadores têm respondido à necessidade da IoT por sensores inteligentes. Isto tem sido parcialmente uma questão de adicionar capacidades de inteligência e comunicação à função básica do transdutor, mas também envolve uma fabricação melhorada. Ao integrar os elementos do sensor MEMS e os componentes de computação CMOS em um único substrato, os sensores inteligentes podem ser implementados em pacotes pequenos e de baixo custo que podem ser incorporados em aplicações com espaço limitado e com resiliência às suas condições ambientais.

Conseqüentemente, os projetistas de IoT podem obter os sensores de que precisam – pequenos, baratos, resilientes e com baixo consumo de energia o suficiente para implantação onipresente, ao mesmo tempo que possuem a inteligência para fornecer informações úteis, bem como dados brutos. Eles também facilitam uma automação granular mais flexível, pois podem aceitar comandos recebidos para recalibração para acomodar alterações de produção.

Este artigo foi contribuído pelo elemento 14 de Newark, Chicago, IL. Para mais informações, clique aqui.