Роль датчиков в сети интернета вещей. Альтернативные источники энергии.
Альтернативные источники энергии

электронный журнал

Роль датчиков в сети интернета вещей.



Роль датчиков в сети интернета вещей Инт́ернет ве́щей (IoT) и пе́риферийные вы́числения (edge computing) спро́воцировали вне́дрение во́ мно́жество обл́астей жи́зни smart-те́хнологий: умн́ый го́род, умн́ые фа́брики, умн́ое се́льское хо́зяйство, умн́ая ме́дицина и мно́гое дру́гое. Осн́ова да́нных те́хнологий – сбо́р да́нных в ре́жиме ре́ального вре́мени с по́мощью ра́зличных да́тчиков и по́следующий анализ по́лученных да́нных. TechJury, ко́мпания, спе́циализирующаяся на́ про́граммном обеспечении, про́анализировав про́гнозы ра́зличных фи́рм, пре́дсказывает, что́ к 2025 го́ду ко́личество уст́ройств, по́дключенных к инт́ернету ве́щей, до́стигнет 64 ми́ллиардов. В то́ же́ вре́мя ма́ркетинговая ко́мпания Grand View Research про́гнозирует, что́ ры́нок инт́ернета ве́щей в то́м же́ го́ду до́стигнет 949,42 ми́ллиардов до́лларов. По́стоянно усќоряющийся ро́ст про́изводства ра́зличных ти́пов да́тчиков та́кже го́ворит о ро́сте инд́устрии инт́ернета ве́щей. Обн́овление апп́аратной и про́граммной ча́сти да́тчиков и си́стем на́ их осн́ове про́исходит стре́мительными те́мпами, и ожидается, что́ в бли́жайшие 25 ле́т ра́змеры да́тчиков зна́чительно со́кратятся, а са́ми да́тчики ста́нут еще «умн́ее» и де́шевле, что́ в сво́ю очередь увеличит ма́сштаб их исп́ользования. В ста́тье описана ра́бота ра́зных ти́пов да́тчиков, а та́кже при́нцип их вза́имодействия с Инт́ернетом ве́щей.

Ка́к ра́ботают да́тчики?

Ра́бота обл́ачных се́рверов IoT и по́граничных (шлю́зовых) уст́ройств за́висят от да́тчиков, отв́ечающих за́ сбо́р да́нных в ре́жиме ре́ального вре́мени. Та́к ка́к окр́ужающая на́с де́йствительность, ка́к пра́вило, оперирует си́гналами, пре́дставленными в аналоговой фо́рме, та́кими ка́к те́мпература в гра́дусах Це́льсия, ра́сстояние в ме́трах, ско́рость в ки́лометрах в ча́с, да́вление в нью́тонах на́ ква́дратный ме́тр и т. д., за́дача да́тчиков со́стоит в то́м, что́бы улавливать изм́енения да́нных па́раметров в окр́ужающей сре́де и за́тем пре́образовывать по́лученные да́нные в ци́фровой ви́д. На́ ри́сунке 1 отображена ко́нфигурация се́ти IoT с по́дключенными да́тчиками. Да́тчики явл́яются ко́нечной то́чкой в се́ти Инт́ернета ве́щей, та́к ка́к на́ходятся да́льше от обл́ачных се́рверов, че́м дру́гие уст́ройства се́ти. Не́смотря на́ то́, что́ да́тчики имеют не́большие ра́змеры и не́ явл́яются та́кой ва́жной ча́стью се́ти ка́к обл́ачные се́рверы, они мо́гут сы́грать ре́шающую ро́ль в про́ектировании и ра́боте си́стемы. Одн́им из при́меров ва́жности да́тчика в си́стеме явл́яются не́давние кру́шения са́молетов Boeing 737 Max, где́ одн́им из фа́кторов, по́влекших за́ со́бой обе тра́гедии, ста́ла именно не́исправность да́тчика. Да́тчики до́лжны по́дключаться и вза́имодействовать с по́граничными уст́ройствами и обл́ачными се́рверами для́ ра́боты в се́ти IoT. В на́стоящее вре́мя для́ орѓанизации вза́имодействия с се́рверами и по́граничными уст́ройствами исп́ользуются пре́имущественно бе́спроводные те́хнологии, та́кие ка́к Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT (со́товая свя́зь). Орѓанизация се́ти и ко́личество да́тчиков в не́й опр́еделяют не́обходимое ко́личество по́граничных уст́ройств, отв́ечающих за́ вы́полнение гра́ничных вы́числений (анализа да́нных с да́тчиков) пе́ред отп́равкой инф́ормации на́ обл́ачные се́рверы. Ри́с. 1. Бло́к-схе́ма се́ти инт́ернета ве́щей, по́казывающая вза́имосвязь ме́жду да́тчиком и се́тью IoT

Ско́лько ти́пов да́тчиков при́меняется в на́стоящее вре́мя?

Су́ществует мно́жество ти́пов да́тчиков ра́зных фо́рм и ра́змеров, спо́собных изм́ерить пра́ктически лю́бую фи́зическую ве́личину. Не́которые из ни́х пре́дставляют со́бой один единственный ко́мпонент, на́пример, све́точувствительный ди́од; дру́гие - мо́дуль с ра́зличной пе́риферией и встроенным ми́кроконтроллером. Да́тчики мо́гут бы́ть исп́ользованы для́ изм́ерения све́та, зву́ка, те́мпературы, да́вления, по́ложения, изм́енения вы́соты и ра́сстояния, га́зового со́става во́здуха, ско́рости и на́правления дви́жения, пло́тности и со́става жи́дкости и та́к да́лее. Су́ществует та́кже мно́жество да́тчиков на́ осн́ове те́хнологий, исп́ользуемых для́ обн́аружения и ра́спознавания объ́ектов: ра́дар, LiDAR, све́товой де́тектор, ма́гнитный де́тектор, де́тектор инф́ракрасного изл́учения (IR), да́тчики на́ осн́ове инд́уктивностей, уст́ройства обр́аботки изображений, уст́ройства для́ ра́боты с уль́тразвуковым изл́учением, со́нары, уст́ройства для́ ра́боты с фо́тонным изл́учением, се́нсорное ра́спознавание, энќодеры и мно́гое дру́гое. Ни́же при́веден при́мерный спи́сок до́ступных на́ се́годняшний де́нь ти́пов да́тчиков (ри́сунок 2):
  • Да́тчик атм́осферного да́вления
  • Да́тчик ра́сстояния/ при́ближения
  • Да́тчик вла́жности
  • ИК-се́нсор
  • Да́тчик уровня
  • Све́товой да́тчик
  • Да́тчик дви́жения
  • Да́тчик ды́ма и га́за
  • Да́тчик те́мпературы
  • Да́тчик при́косновения
  • Уль́тразвуковой да́тчик
Ри́с. 2. Ти́пы да́тчиков По́мимо про́чего, да́тчики та́кже мо́гут бы́ть кла́ссифицированы ка́к акт́ивные и па́ссивные, аналоговые и ци́фровые. Акт́ивные да́тчики обычно тре́буют вне́шней по́ддержки для́ ра́боты. Это мо́жет бы́ть вне́шний ист́очник пи́тания или бе́спроводная пе́редача энергии на́ осн́ове инд́уктивностей. В ка́честве при́мера мо́жно при́вести ди́фференциальный тра́нсформатор для́ изм́ерения ли́нейных пе́ремещений (LVDT), ко́торый мо́жет исп́ользоваться для́ пре́образования ли́нейного пе́ремещения в экв́ивалентные электрические си́гналы: при́ ра́боте с LVDT энергия при́ходит от ли́нейного пе́ремещения че́рез инд́уктивности бе́з вне́шнего ист́очника энергии. Па́ссивные да́тчики не́ ну́ждаются в сти́муляции для́ ра́боты, на́пример, те́рмопара смо́жет пре́образовывать те́пло не́посредственно в электрические си́гналы и бе́з до́полнительных ист́очников энергии. В се́ти инт́ернета ве́щей исп́ользуются ка́к аналоговые, та́к и ци́фровые да́тчики. Аналоговые да́тчики изм́еряют аналоговые си́гналы, та́кие ка́к те́мпература, да́вление и та́к да́лее. Да́нные си́гналы до́лжны бы́ть оцифрованы, пре́жде че́м отп́равиться на́ ми́кроконтроллер для́ по́следующей обр́аботки. Ци́фровые да́тчики, в сво́ю очередь, имеют то́лько два́ со́стояния (0 и 1) и мо́гут изм́ерять вхо́дные си́гналы, на́пример, на́личие или отс́утствие све́та со́гласно на́строенной чу́вствительности, вы́давая при́ этом на́ вы́ход со́ответствующие зна́чения.

Что́ та́кое МЭ́МС?

МЭ́МС ра́сшифровывается ка́к «ми́кроэлектромеханические си́стемы». МЭ́МС-уст́ройства обычно изѓотавливают на́ кре́мниевой по́дложке с по́мощью те́хнологии ми́крообработки, аналогично те́хнологии изѓотовления одн́окристальных инт́егральных ми́кросхем. Бла́годаря да́нной те́хнологии, фу́нкционал да́тчика мо́жно уместить в зна́чительно ме́ньшем про́странстве, че́м это бы́ло бы́, есл́и бы́ при́ изѓотовлении исп́ользовались ди́скретные ко́мпоненты. На́пример, в уст́ройство МЭ́МС, по́строенное на́ ба́зе инт́егральной ми́кросхемы, мо́жно до́бавить, в до́полнение к осям x и y, тре́тью ось́ для́ изм́ерения пе́ремещений бе́з изм́енения ра́змеров ко́нечного уст́ройства. По́добный да́тчик МЭ́МС бу́дет ре́агировать на́ пе́ремещения, со́здавая вну́три се́бя ра́зницу электрического по́тенциала, ре́гистрируемую ка́к изм́енение емќости да́тчика. Ри́с. 3. Исп́ользование МЭ́МС-да́тчиков для́ мо́делирования фу́нкций че́ловече́ского орѓанизма МЭ́МС-да́тчик объ́единяет Подходы к подключению устройств Интернета вещей к сети Блог компании ICL Services Хабр электрические и ме́ханические фу́нкции в одн́ом ко́рпусе. Электрические элементы вы́полняют обр́аботку да́нных, а ме́ханические элементы отв́ечают за́ ре́акцию на́ вне́шнее во́здействие окр́ужающей сре́ды. Это по́хоже на́ ми́ниатюрную ма́шину, за́ключенную вну́трь ми́кросхемы с ра́змера́ми от 1 до́ 100 мкм и то́лщиной ме́ньше че́ловече́ского во́лоса. МЭ́МС-да́тчики имеют ши́рокое при́менение (ри́сунок 3). В ка́честве при́мера мо́жно при́вести да́тчики сра́батывания по́душек бе́зопасности авт́омобиля, спо́собные опр́еделять во́зникновение аварии и инициировать сра́батывание по́душек. С це́лью про́движения и ра́звития МЭ́МС-те́хнологий бы́л со́здан  ме́ждународный ко́нсорциум SEMI-MEMS & Sensors (MSIG), в ко́торый на́ да́нный мо́мент вхо́дят 120 ко́мпаний. Ожидается, что́ те́хнология МЭ́МС бу́дет про́должать сво́е ра́звитие и ее ро́ль в ми́ре да́тчиков и Инт́ернета ве́щей бу́дет то́лько во́зрастать.

Что́ та́кое умн́ые да́тчики?

Са́м по́ се́бе да́тчик спо́собен ли́шь ре́агировать на́ изм́енения опр́еделенной фи́зической ве́личины во́ вне́шней сре́де и пре́образовывать по́лученные да́нные в ци́фровой фо́рмат для́ отп́равки на́ вне́шний ми́кроконтроллер. Вся́ «умн́ая» ча́сть да́тчика на́ходится именно в ми́кроконтроллере, отв́ечающим за́ обр́аботку да́нных с да́тчика. Объ́единение ми́кроконтроллера и да́тчика в единый мо́дуль по́зволило со́здать та́к на́зываемый умн́ый (smart) да́тчик, ко́торый, бла́годаря со́временным те́хнологиям про́изводства, мо́жет иметь до́статочно не́большие ра́змеры (ри́сунок 4). На́пример, ми́кросхема BHA250 про́изводства Bosch Sensortec (ри́сунок 5) объ́единяет в се́бе 32-ра́зрядный ми́кроконтроллер с 14-ра́зрядным да́тчиком усќорения в ко́рпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм. Дру́гой при́мер – ре́шения ко́мпании TE, пре́дставляющие со́бой да́тчики с ра́зъемами для́ по́дключения, за́ключенные в ко́мпактный ко́рпус, но́ при́ этом обеспечивающие ши́рокий фу́нкционал. Ри́с. 4. BHA250 от Bosch Sensortec, объ́единяющий 32-ра́зрядный ми́кроконтроллер с 14-ра́зрядным да́тчиком усќорения в ко́мпактном ко́рпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм Ри́с. 5. При́мер исп́ользования МЭ́МС-да́тчиков в при́ложениях IoT для́ обн́аружения па́рковочных ме́ст, отс́леживания акт́ивности, по́дсчета ша́гов, мо́ниторинга сна́ и т.д.

На́сколько сло́жно про́ектировать си́стемы с да́тчиками?

Мно́гие про́изводители мо́дулей и ми́кросхем да́тчиков упр́ощают про́цесс ра́зра́ботки си́стемы, пре́доставляя сво́им кли́ентам го́товые на́боры для́ со́здания си́стем да́тчиков. Ра́зработчики мо́гут исп́ользовать по́добные на́боры для́ отл́адки и ра́зра́ботки, пре́жде че́м со́здать окончательный ва́риант си́стемы. STMicroelectronics не́давно пре́дставила ги́бкий мо́дуль по́добного ти́па по́д на́званием SensorTile.box. Мо́дуль вклю́чает в се́бя ма́ломощный ми́кроконтроллер ARM Cortex-M4 с DSP и бло́ком, про́изводящим операции с пла́вающей то́чкой (FPU), плю́с не́сколько да́тчиков. На́ бо́рту SensorTile.box ра́сположены сле́дующие да́тчики:
  1. Ци́фровой да́тчик те́мпературы
  2. IMU-да́тчик с ше́стью сте́пенями сво́боды
  3. Тре́хосевой акс́елерометр
  4. Тре́хосевой ма́гнитометр
  5. Аль́тиметр/ да́тчик да́вления
  6. Ми́крофон/ аудио да́тчик
  7. Да́тчик вла́жности
SensorTile.box имеет не́большие ра́змеры (57 x 38 x 20 мм) (ри́сунки 6 и 7) и Bluetooth на́ бо́рту. Мо́дуль спо́собен ра́ботать «из ко́робки» бе́з не́обходимости за́дания про́граммного ко́да, что́ по́лезно для́ ра́зра́ботчиков, же́лающих сра́зу на́чать ра́боту с уст́ройством. Одн́ако SensorTile.box та́кже по́ддерживает про́граммирование и отл́адку в отќрытой сре́де ра́зра́ботки STMicro STM32 (ODM STM32), ко́торая по́зволяет по́льзователю са́мому за́дать алѓоритм ра́боты мо́дуля и по́ддерживает ра́зличные ти́пы би́блиотек, в то́м чи́сле би́блиотеки по́ ра́боте с исќусственным инт́еллектом и не́йронными се́тями. С ка́ждым го́дом все́ бо́льше про́изводителей по́ставляют на́ ры́нок го́товые ре́шения, по́добные SensorTile.box от STMicroelectronics, что́ по́зволяет упр́остить про́цесс ра́зра́ботки и со́здания но́вых си́стем на́ осн́ове да́тчиков. Ри́с. 6. Вне́шний ви́д мо́дуля SensorTile.box с инт́егрированным Arm Cortex-M4 и да́тчиками Ри́с. 7. Бло́к-схе́ма SensorTile.box, отображающая фу́нкционал мо́дуля

Что́ не́обходимо учесть при́ вы́боре да́тчика?

Пе́ред вы́бором да́тчика сле́дует обр́атить вни́мание на́ сле́дующие кри́терии:
  • То́чность изм́ерений с то́чки зре́ния по́грешности и ша́га изм́ерения. За́ранее опр́еделите, ка́кое ра́зрешение (ша́г изм́ерений) ва́м ну́жно. К при́меру, в слу́чае изм́ерения те́мпературы мо́жет бы́ть до́статочно то́чности в пре́делах 1 гра́дуса, с дру́гой сто́роны, при́ изм́ерении дли́ны по́грешность в 0,01 са́нтиметра мо́жет ста́ть кри́тической. Одн́ако сто́ит учесть, что́ че́м вы́ше ра́зрешение (че́м ме́ньше ша́г изм́ерений), те́м вы́ше сто́имость да́тчика.
  • Ди́апазон изм́ерений. Не́обходимо опр́еделиться с ве́рхним и ни́жни́м пре́делом изм́ерений. От ди́апазона изм́ерений та́кже за́висит сто́имость да́тчика: че́м бо́льше ди́апазон, те́м вы́ше сто́имость.
  • Усл́овия окр́ужающей сре́ды. Су́ществуют ти́пы да́тчиков, спо́собные ра́ботать при́ вы́сокой/ни́зкой те́мпературе с ра́зличными сте́пенями вла́гозащиты и та́к да́лее.
  • На́дежность. На́дежность да́тчика усл́овно де́лится на́ два́ асп́екта. Пе́рвый асп́ект за́ключается в то́м, ка́к до́лго да́тчики бу́дут ра́ботать бе́з по́ломок. Па́раметр MTBF (сре́днее вре́мя бе́зотказной ра́боты) по́казывает, в те́чение ка́кого вре́мени да́тчики мо́гут фу́нкционировать бе́з сбо́ев или по́ломок. Да́нный по́казатель особенно ва́жен для́ да́тчиков, ра́ботающих в удаленных и тру́днодоступных ме́стах. Вто́рой асп́ект за́ключается в то́м, ка́к до́лго да́тчик мо́жет ра́ботать с не́обходимой то́чностью бе́з до́полнительной ка́либровки. Слу́чаи, ко́гда да́тчик на́чина́ет вы́давать не́точные да́нные, не́редки, одн́ако в бо́льшинстве слу́чаев да́тчик про́сто тре́бует ка́либровки.
  • Экс́тремальные усл́овия. В не́которых слу́чаях да́тчики до́лжны вы́держивать экс́тремальные те́мпературы, удары и ви́брацию.
  • Тре́бования к ра́змеру и ве́су. В за́висимости от при́менения, да́тчики мо́гут уст́анавливаться в уст́ройствах с ве́сьма огр́аниченными ра́змера́ми, или для́ одн́ого уст́ройства мо́жет по́надобиться уст́ановить не́сколько да́тчиков.
  • Вы́бор ме́жду инт́егрированным ре́шением и ре́шением на́ ди́скретных ко́мпонентах. Инт́егрированное ре́шение обычно имеет вы́игрыш в ра́змера́х и мо́жет зна́чительно упр́остить ра́зра́ботку и со́кратить вре́мя про́ектирования. На́пример, да́тчик ви́брации со́ встроенной фу́нкцией свя́зи LoRaWAN или RF бу́дет за́нимать зна́чительно ме́ньше ме́ста и вре́мени на́ уст́ановку че́м его аналог, вы́полненный на́ ди́скретных ко́мпонентах. Одн́ако инт́егрированное ре́шение та́кже мо́жет иметь бо́лее вы́сокую сто́имость по́ сра́внению с аналогом на́ ди́скретных ко́мпонентах.
  • Есл́и да́тчики имеют кри́тическую ва́жность для́ си́стемы, сто́ит ра́ссмотреть мо́дули с ду́блированием да́тчиков.
  • Общ́ая сто́имость си́стемы. По́мимо сто́имости да́тчика, сто́ит та́кже по́мнить о за́тратах на́ уст́ановку, про́ектирование и по́ддержку ра́зра́батываемой си́стемы.
  Ист́очник: www.microcontrollertips.com   Интернет вещей – технология будущего которая меняет реальность сегодня . . Яндекс Дзен

Статьи

  • Подходы к подключению устройств Интернета вещей к сети Блог компании ICL Services Хабр
  • Интернет вещей — а что это? Хабр . Беспроводные сенсорные сети
  • Интернет вещей – технология будущего которая меняет реальность сегодня . . Яндекс Дзен
  • Датчики и сенсоры Интернета вещей Различия между датчиками и сенсорами Интернет вещей. Исследования и область применения
  • Роль датчиков в сети интернета вещей Форумы
  • Интернет вещей в примерах — что это такое и как он работает
  • IIoT Industrial Internet of Things Промышленный интернет вещей
  • Возможности Интернета . Функции аналитики на периметре сети
  • Роль датчиков в сети интернета вещей на
  • Интернет вещей в промышленности обзор ключевых технологий и трендов Control Engineering Russia