物聯網智能傳感器技術
物聯網(IoT)應用-無論是用於城市基礎設施,或者應用於工廠還是可穿戴設備的應用-都使用大量傳感器收集數據,並通過Internet傳輸到基於雲。基於雲計算機上運行的分析軟件處理這些數據,生成對用戶有意義的信息,並向現場的執行器發出命令。
傳感器是物聯網的關鍵組成部分,傳感器不是簡單的將物理變量轉換為電信號,而是發展成為更複雜的產品,以在物聯網環境中發揮技術和經濟上可行的作用。
本文介紹了IoT應用對傳感器的要求-必須採取什麼措施才能實現IoT的大型傳感器陣列的特性。然後,介紹了製造商如何通過改進製造,更多集成和內置智能來做出響應,最終介紹了廣泛使用的智能傳感器的概念。
顯而易見,傳感器智能不僅能促發物聯網更多的連,還提供預測性維護,更靈活的製造和更高的生產率相關等好處。
物聯網對傳感器的要求
傳統上,傳感器是功能簡單的設備,可將物理變量轉換為電信號或電特性的變化。儘管此功能是必不可少的起點,但傳感器需要增加以下屬性以用於IoT組件:
成本低,可以經濟地大量部署體積小巧,可以方便的安裝在任何環境中無線,更方便的連接自我識別和自我驗證極低的功率,無需更換電池即可存活數年,或通過能量收集進行管理堅固耐用,可減少或消除維護自我診斷和自我修復自校準,或通過無線鏈接接受校準命令數據預處理,以減少網關,PLC和雲資源上的負載
多個傳感器的信息可以組合使用,通過組合信息獲得更有價值的信息;例如,溫度傳感器和振動傳感器數據可用於檢測機械故障的發生。在某些情況下,兩個傳感器功能可在一台設備中使用。在其他情況下,功能通過軟件組合在一起以創建“軟”傳感器。
製造商:智能傳感器解決方案
本節從構建模塊和製造的角度分析為物聯網應用開發的智能傳感器,然後回顧了傳感器內置智能帶來的一些優勢,尤其是自我診斷的可能性和維修。
智能傳感器中有什麼功能?
我們已經介紹了物聯網對智能傳感器的要求,但是業界對此有何反應?現代智能傳感器內置了什麼功能?
智能傳感器是作為IoT組件構建的,可以將它們正在測量的真實世界變量轉換為數字數據流,以傳輸到網關。如圖顯示了他們如何做到這一點。應用算法由內置微處理器單元(MPU)執行。它們可以運行濾波,補償和任何其他特定於過程的信號調理任務。
智能傳感器構建塊
微處理器單元(MPU)的智能功能還可用於許多其他功能,以減輕IoT的更多中央資源的負擔。例如,可以將校準數據發送到MPU,以便針對任何生產變化自動設置傳感器。 MPU還可以發現任何開始超出可接受標準的生產參數,並相應地產生警告。然後,操作員可以在災難性故障發生之前採取預防措施。
如果合適,傳感器可以在“例外報告”模式下工作,在該模式下,僅當測得的變量值與先前的樣本值有顯著變化時,傳感器才傳輸數據。這既減輕了中央計算資源的負擔,又降低了智能傳感器的電源需求-通常是一項關鍵優勢,因為傳感器必須在沒有連接電源的情況下依靠電池或能量收集。
如果智能傳感器的探頭中包含兩個元素,則可以內置傳感器自診斷功能。可以立即檢測到其中一個傳感器元素輸出中出現的漂移。此外,如果傳感器完全失效(例如由於短路),則可以使用第二個測量元件繼續該過程。或者,探針可以包含兩個傳感器,這些傳感器可以一起工作以改善監視反饋。
智能傳感器:一個實際示例
德州儀器(TI)開發的應用程序提供了一個智能傳感器的實際示例,以及構建塊協同工作以從模擬電流和溫度測量中生成有用的信息,並為其他功能提供智能。該應用程序使用超低功耗MSP430 MCU系列的變體來構建用於配電網絡的智能故障指示器。
安裝後,故障指示器將通過提供有關網絡故障部分的信息來降低運營成本和服務中斷。同時,該設備可通過減少對危險故障診斷程序的需求來提高安全性並減少設備損壞。為了保證故障指示器的位置靈活性,主要由電池供電,因此也非常需要低功率運行。
故障指示器(安裝在架空電力線網絡的交界處)將有關輸電線路中溫度和電流的測量數據無線發送到安裝在電線桿上的集中器/終端單元。集中器使用GSM調製解調器將數據傳遞到蜂窩網絡,以將實時信息中繼到主站。主站還可以通過同一數據路徑控制並在故障指示器上運行診斷。
與主站的持續連接具有多個優點。首先是能夠遠程監視故障情況,而不是在現場進行搜索。智能故障指示器還可以不斷監視溫度和電流,以便主站的控制器具有有關配電網絡的實時狀態信息。電力運營商可以快速識別故障位置,最大程度地減少停電時間,甚至在發生故障之前採取措施。主站的工作人員可以按要求的時間間隔對故障指示器進行診斷,以檢查其是否正常工作。
圖2.基於MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框圖
上圖是基於TI MSP430鐵電隨機存取存儲器(FRAM)微控制器(MCU)組成的智能故障指示器的功能框圖。電流傳感器產生與電力線電流成比例的模擬電壓。運算放大器(運放)放大並過濾該電壓信號。 MCU上的模數轉換器(ADC)對運算放大器的輸出進行採樣。來自ADC的數字流然後由運行在CPU或加速器上的軟件進行分析。運算放大器輸出還連接到MCU上的比較器。如果輸入電平超出預定閾值,則比較器將向MCU中的中央處理單元(CPU)生成標誌。
MSP430的計算能力允許進行頻域電流測量分析,比以前的時域方法更深入地了解電源線狀態。快速的FRAM讀寫速度支持模式分析的數據積累,而MCU的超低功耗工作模式則可以延長電池壽命。
製造
為了發揮物聯網的全部價值,傳感器製造方法必須繼續減少傳感器組件和系統的尺寸,重量,功耗和成本(SWaP-C)。傳感器包裝也需要採用同樣的趨勢,傳感器包裝目前佔總成本和外形尺寸的80%。
當微機電系統(MEMS)傳感器元件與CMOS集成電路(IC)緊密集成時,就會形成智能傳感器。這些IC提供器件偏置,信號放大和其他信號處理功能。最初,所使用的晶圓級真空封裝(WLVP)技術僅包括離散傳感器設備,而智能傳感器是通過將離散MEMS芯片通過封裝或板基板通過IC芯片連接到IC芯片而實現的,這種方法稱為多芯片集成。一種改進的方法是在稱為片上系統(SoC)的結構中,直接互連CMOS IC和傳感器元件,而無需使用封裝或板上的佈線層。與分立式多芯片封裝方法相比,SoC通常更複雜,但可減小占位面積,
智能傳感器智能的其他優勢
智能光電傳感器可以檢測物體結構中的圖案及其變化。這自動發生在傳感器中,而不發生在任何外部計算元件中。這增加了處理吞吐量,並減少了中央處理器(或本地PLC)的處理負荷。
製造靈活性得到了提高-在當今競爭激烈的環境中,這是至關重要的優勢。每次需要更換產品時,都可以使用合適的參數對智能傳感器進行遠程編程。甚至可以按批量生產價格為單個單位批量設置生產,檢驗,包裝和發貨,因此每個消費者都可以收到個性化的一次性產品。
線性位置傳感器的反饋傳統上一直受到與系統噪聲,信號衰減和響應動態有關的問題的困擾。每個傳感器都需要調整以克服這些問題。霍尼韋爾提供其SPS-L075-HALS智能位置傳感器的解決方案。這些可以通過使用ASIC和MR(磁阻)傳感器陣列的專利組合進行自校準。這樣可以準確可靠地確定附著在移動物體(例如電梯,閥門或機械)上的磁鐵的位置。 Continue reading →