Sensores Inteligentes Avançados Impulsionando o Futuro da IoT

Aplicações de Internet das Coisas (IoT) — seja para infraestruturas urbanas, fábricas ou dispositivos vestíveis — usam grandes arrays de sensores coletando dados para transmissão pela Internet a um recurso de computação central baseado em nuvem. Software de análise rodando nos computadores na nuvem reduz os enormes volumes de dados gerados em informações acionáveis para usuários, e comandos para atuadores de volta no campo.

Sensores são um fator chave no sucesso da IoT, mas estes 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 dentro do ambiente IoT.

Este artigo revisa as expectativas da IoT de seus sensores — o que deve ser feito para alcançar a característica de grande array de sensores da IoT. Então aborda como fabricantes responderam com melhorias na fabricação, mais integração e inteligência embutida, culminando no conceito de sensores inteligentes agora em amplo uso.

Ficará evidente que a inteligência do sensor, além de facilitar conectividade IoT, também cria muitos mais benefícios relacionados a manutenção preditiva, manufatura mais flexível e produtividade melhorada.

O Que a IoT Espera de Seus Sensores?

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

• Baixo custo, para que possam ser implantados economicamente em grandes números

• Fisicamente pequenos, para "desaparecer" discretamente em qualquer ambiente

• Sem fio, pois conexão com fio tipicamente não é possível

• Auto-identificação e auto-validação

• Muito baixa potência, para que possa sobreviver anos sem troca de bateria, ou gerenciar com coleta de energia

• Robustos, para minimizar ou eliminar manutenção

• Auto-diagnóstico e auto-reparação

• Auto-calibração, ou aceita comandos de calibração via link sem fio

• Pré-processamento de dados, para reduzir carga em gateways, CLPs e recursos na nuvem

Informações de múltiplos sensores podem ser combinadas e correlacionadas para inferir conclusões sobre problemas latentes; por exemplo, dados de sensor de temperatura e sensor de vibração podem ser usados para detectar o início de falha mecânica. Em alguns casos, as duas funções de 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 examina os sensores inteligentes desenvolvidos para aplicações IoT em termos de seus blocos de construção e sua fabricação, e então revisa algumas das vantagens que advêm da inteligência embutida dos sensores, especialmente as possibilidades para auto-diagnóstico e reparo.

O Que Há em um Sensor Inteligente e Do Que Ele é Capaz?

Revisamos as expectativas da IoT de um sensor inteligente, mas como a indústria respondeu? O que é construído em um sensor inteligente moderno, e do que ele é capaz?

Sensores inteligentes são construídos como componentes 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 realizados por uma unidade de microprocessador embutida (MPU). Estes podem executar filtragem, compensação e quaisquer outras tarefas de condicionamento de sinal específicas do processo.

A inteligência da MPU pode ser usada para muitas outras funções também para reduzir a carga nos recursos mais centrais da IoT; por exemplo, dados de calibração podem ser enviados à MPU para que o sensor seja automaticamente configurado para quaisquer mudanças de produção. A MPU também pode detectar quaisquer parâmetros de produção que comecem a desviar além de normas aceitáveis e gerar avisos correspondentes; operadores podem então tomar ação preventiva antes que uma falha catastrófica ocorra.

Se apropriado, o sensor poderia trabalhar no modo "reportar por exceção", onde só transmite dados se o valor da variável medida mudar significativamente dos valores de amostra anteriores. Isso reduz tanto a carga no recurso de computação central quanto os requisitos de potência do sensor inteligente — geralmente um benefício crítico, pois o sensor deve depender de bateria ou coleta de energia na ausência de energia conectada.

Se o sensor inteligente inclui dois elementos na sonda, auto-diagnóstico do sensor pode ser embutido. Qualquer desvio em desenvolvimento em uma das saídas do elemento do sensor pode ser detectado imediatamente. Adicionalmente, se um sensor falhar completamente — por exemplo, devido a curto-circuito — o processo pode continuar com o segundo elemento de medição. Alternativamente, uma sonda pode conter dois sensores que trabalham juntos para feedback de monitoramento melhorado.

Sensor Inteligente: Um Exemplo Prático

Uma aplicação desenvolvida pela Texas Instruments fornece um exemplo prático de um sensor inteligente, e como seus blocos de construção trabalham juntos para gerar informação útil de medição analógica de corrente e temperatura, bem como fornecendo a inteligência para as outras funções mencionadas. A aplicação usa uma variante de sua linha MCU MSP430 ultra-baixa potência para construir um indicador de falha inteligente para redes de distribuição de energia elétrica.

Quando instalados corretamente, indicadores de falha reduzem custos operacionais e interrupções de serviço fornecendo informação sobre uma seção falhada da rede. Ao mesmo tempo, o dispositivo aumenta segurança e reduz danos a equipamentos reduzindo a necessidade de procedimentos perigosos de diagnóstico de falha. Indicadores de falha, devido à sua localização, são principalmente alimentados por bateria, então operação de baixa potência também é altamente desejável.

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

Conexão contínua à estação principal tem várias vantagens. A primeira é a capacidade de monitorar remotamente condições de falha em vez de procurá-las no campo. Um indicador de falha inteligente também pode monitorar constantemente temperatura e corrente para que o controlador na estação principal tenha informação de status em tempo real sobre a rede de distribuição de energia. Consequentemente, provedores de energia podem identificar rapidamente a localização da falha, minimizar tempo de inatividade de energia, e até tomar ação antes que uma falha ocorra. Trabalhadores na estação principal podem rodar diagnósticos nos indicadores de falha em intervalos requeridos para verificar se estão funcionando corretamente.

Fabricação

Para realizar o potencial pleno da IoT, métodos de fabricação de sensores devem continuar a reduzir tamanho, peso, potência e custo (SWaP-C) do componente e sistema do sensor. A mesma tendência precisa se aplicar à embalagem de sensores, que atualmente responde por até 80% do custo total e fator de forma.

Sensores inteligentes formam-se quando elementos de sensor micro-eletromecânicos (MEMS) são integrados de perto com circuitos integrados (CIs) CMOS. Estes CIs fornecem polarização do dispositivo, amplificação de sinal e outras funções de processamento de sinal. Originalmente, a tecnologia de embalagem a vácuo em nível de wafer (WLVP) usada incluía apenas dispositivos de sensor discretos, e sensores inteligentes eram realizados conectando chips MEMS discretos a chips de CI através do pacote ou substrato da placa em uma abordagem chamada integração multi-chip. Uma abordagem melhorada interconecta o CI CMOS e elementos do sensor diretamente, sem o uso de camadas de roteamento no pacote ou placa, em uma construção conhecida como system-on-chip (SoC). Quando comparada à abordagem de embalagem multi-chip discreta, SoC é tipicamente mais complexa mas leva a parasitas reduzidos, pegadas menores, densidades de interconexão mais altas e custos de pacote menores.

Outras Vantagens da Inteligência de Sensores Inteligentes

Sensores fotoelétricos inteligentes podem detectar padrões em uma estrutura de objeto e quaisquer mudanças neles. Isso acontece autonomamente no sensor, não em nenhum elemento de computação externo. Isso aumenta vazão de processamento e reduz a carga de processamento do processador central — ou CLP local.

Flexibilidade de manufatura é melhorada — uma vantagem vital no ambiente competitivo de hoje. Sensores inteligentes podem ser programados remotamente com parâmetros adequados toda vez que uma mudança de produto é requerida. Produção, inspeção, embalagem e expedição podem ser definidas para tamanhos de lote até de unidade única a preços de produção em massa, para que cada consumidor possa receber um produto personalizado, único.

Feedback de sensores de posição linear tem sido tradicionalmente prejudicado por problemas relacionados a ruído de sistema, atenuação de 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. Estes podem auto-calibrar usando uma combinação patenteada de um ASIC e um array de sensores MR (magnetorresistivos). Isso determina com precisão e confiabilidade a posição de um ímã anexado a objetos em movimento como elevadores, válvulas ou maquinário.

O array 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 mais próximo de sensores ao centro da localização do ímã. A saída deste par é então usada para determinar a posição do ímã entre eles. Esta tecnologia sem contato pode fornecer vida útil e durabilidade aprimoradas com menos tempo de inatividade. Um recurso de auto-diagnóstico pode reduzir ainda mais níveis de tempo de inatividade.

Estes sensores também marcam outros requisitos de sensor inteligente IoT. Seu pequeno tamanho permite instalação onde espaço é premium, enquanto opções de vedação IP67 e IP69K permitem implantação em ambientes hostis. Eles são inteligentes o suficiente para substituir vários componentes de sensor e interruptor junto com a fiação extra, componentes externos e conexões também previamente necessárias. Os sensores são usados em aplicações aeroespaciais, médicas e industriais.

Sensores Inteligentes com Capacidades de Auto-Diagnóstico e Reparo

Sensores inteligentes também podem ser bem adequados para aplicações críticas de segurança como detecção de gás perigoso, incêndio ou intrusos. Condições nestes ambientes podem ser hostis, e os sensores podem ser difíceis de acessar para manutenção ou troca de bateria, ainda assim alta confiabilidade é crítica. Uma equipe no Centro de Pesquisa Lab-STICC, Universidade do Sul da Bretanha, tem desenvolvido uma solução que melhora confiabilidade usando sondas duplas e hardware que pode auto-diagnosticar e reparar a si mesmo.

O objetivo final do projeto é integrar todos os elementos descritos em um único dispositivo discreto, adequado para aplicações como detecção de gás perigoso em áreas como portos ou armazéns. O projeto centra-se em um nó que pode identificar uma falha interna e tomar ação corretiva para melhorar tanto confiabilidade quanto eficiência energética. Isso reduz a vulnerabilidade do nó e alivia custos de manutenção. O design reconhece as limitações de tais sensores: autonomia de bateria restrita, coleta de energia sujeita a comportamento de fonte de energia não confiável, recursos limitados de processamento e armazenamento, e necessidade de comunicações sem fio.

O nó é equipado com dois sensores; durante operação normal, o primeiro captura dados ambientais enquanto o segundo é apenas ativado por usuários para verificar os dados obtidos. Se o primeiro sensor falhar, a confiabilidade do nó é rebaixada, enquanto energia da bateria está sendo gasta no sensor não-funcionante. No entanto, se o nó desconecta o primeiro sensor e muda para o segundo, nenhuma energia é desperdiçada e a confiabilidade do nó é mantida.

Consequentemente, o objetivo do projeto foi desenvolver um novo auto-diagnóstico baseado em testes funcionais e físicos para detectar falha de hardware em qualquer componente do nó de sensor sem fio. Este método pode identificar exatamente qual componente do nó falhou e indicar ação corretiva adequada.

A Figura 3 mostra a configuração de hardware do nó de sensor auto-reconfigurável. Seus componentes incluem um processador, memória RAM/FLASH, uma Interface para Atuador e Sensores (IAS) para interface com o ambiente, um Módulo Transceptor de Rádio (RTM) para transmitir e receber dados, e uma bateria com chaves de potência (conversores DC-DC). O nó também inclui um Gerenciador de Potência e Disponibilidade (PAM) combinado com uma zona configurável FPGA. O primeiro é considerado a parte inteligente para melhor uso de energia, auto-diagnóstico e tolerância a falhas, enquanto o outro melhora a disponibilidade do nó de sensor.

A tabela na Figura 4 mostra como o nó de sensor pode responder a várias questões do nó. O FPGA contém um CPU softcore 8051 que é ativado quando melhoria de desempenho é necessária ou para substituir o processador principal se ele falhar. O FPGA é um tipo Actel IGL00V2, escolhido por sua confiabilidade e baixo consumo de potência. O restante do nó compreende um processador PIC, memória RAM, módulo transceptor de rádio Miwi, dois detectores de gás Oldham OLCT 80, chaves de potência LM3100 e MAX618, e uma bateria.

Conclusão

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

Consequentemente, designers de IoT podem obter os sensores que precisam — pequenos, baratos, resilientes e de baixa potência o suficiente para implantação ubíqua, enquanto têm a inteligência para entregar informação útil bem como dados brutos. Eles também facilitam automação mais flexível e granular, pois podem aceitar comandos de entrada para recalibração para acomodar mudanças de produção.