Для чего они предназначены iot датчики
Датчики и приводы в IoT — обеспечение промышленной автоматизации
В IoT автоматизация обеспечивается путем передачи данных к устройству. Датчики и приводы в IoT представляют собой эти две конечные точки системы.
Интернет вещей является основным фактором, способствующим развитию новой экономике данных. Ценность системы IoT выходит за рамки первоначально предполагаемого использования, например, в автоматизации. Это связано с тем, что дальнейшая ценность заключается в интеллектуальной составляющей, которую создает система IoT. Датчики являются источником данных IoT, а датчики и приводы в IoT могут работать вместе, чтобы обеспечить автоматизацию в промышленных масштабах. Наконец, анализ данных, которые производят эти датчики и приводы могут со временем дать ценную информацию для бизнеса.
Благодаря инновациям в области производства материалов и нанотехнологий сенсорные технологии развиваются небывалыми темпами, что приводит к повышению точности, уменьшению объема и стоимости, а также к возможности измерять или обнаруживать то, что раньше было невозможно. Фактически, сенсорные технологии развиваются настолько быстро, что уже через несколько лет мы увидим триллион новых датчиков, устанавливаемых ежегодно.
Датчики
Более точным термином для датчика является преобразователь. Преобразователь — это любое физическое устройство, которое преобразует одну форму источника энергии в другую. Так, в случае с датчиком, преобразователь преобразует некое физическое явление в электрический импульс, который определяет показания датчика. Микрофон — это датчик, который принимает колебательную энергию (звуковые волны) и преобразует ее в электрическую энергию, чтобы другие компоненты системы могли соотнести ее с исходным звуком.
Приводы
Другой тип преобразователя, который можно встретить во многих системах IoT, — это привод. Проще говоря, привод работает прямо противоположно в сравнении с датчиком. Он принимает электрический входной сигнал и превращает его в физическое действие. Например, электродвигатель, гидравлическая система и пневматическая система — все это разные типы приводов.
Контроллер
В типичной системе IoT датчик может собирать информацию и направлять ее в центр управления. Там заранее определенная логика диктует решение. В результате соответствующая команда управляет приводом в ответ на входные данные датчика. Таким образом, датчики и приводы в IoT работают вместе с противоположных сторон.
Позже мы обсудим, где находится центр управления в общей системе IoT.
Разнообразие IoT — ключевой момент
В системе IoT существует множество различных типов датчиков. Датчики расхода, датчики температуры, датчики напряжения, датчики влажности, и список можно продолжать. Кроме того, существует множество способов измерения одного и того же параметра. Например, небольшой пропеллер, подобный тому, который можно увидеть на метеостанции, может измерять поток воздуха. Однако этот метод не будет работать в движущемся автомобиле. В качестве альтернативы транспортные средства могут измерять воздушный поток, нагревая небольшой элемент и измеряя скорость его остывания.
Для разных областей применения требуются разные способы измерения одного и того же объекта. В то же время, одна переменная может вызвать несколько действий. В результате датчики и приводы в IoT должны надежно работать вместе.
Важность точных датчиков
Представьте, что вы владелец бара и хотите измерить количество пива, выходящего из одного из ваших кранов. Один из способов сделать это — установить датчик в линию, идущую от бочонка с пивом к крану. Этот датчик, скорее всего, будет иметь внутри небольшую крыльчатку. Когда пиво проходит через датчик, оно заставляет крыльчатку вращаться, подобно пропеллеру на метеостанции.
Когда крыльчатка вращается, она посылает поток электрических импульсов на компьютер. Компьютер интерпретирует эти импульсы, чтобы определить, сколько пива протекает через датчик. Звучит просто, верно?
Именно здесь датчики начинают вызывать интерес. Если вы вернетесь к нашему описанию, то увидите, что мы никогда напрямую не измеряли количество пива, протекающего через датчик; мы интерпретировали его из потока электрических импульсов. Это означает, что сначала мы должны понять, как его интерпретировать.
Калибровка датчика
Чтобы откалибровать датчик, мы должны взять емкость с известной вместимостью, скажем, пинтовый стакан. Затем мы должны наполнить этот его при различных условиях, чтобы определить, как выглядит электрический импульсный сигнал. Затем проследить за приводом, который отвечает за включение и выключение потока на другом конце.
Например, при первом наливании из нового кега может образоваться больше пены, и показания будут отличаться от показаний при наливании из середины кега, где было только пиво. Только благодаря многократным испытаниям и большому количеству данных мы обретаем уверенность в интерпретации данных. Датчики и приводы в IoT могут работать вместе для автоматизации процессов, например, таких как наполнение бутылок.
Важность точной калибровки
Когда корреляция выявлена, протокол всегда может гарантировать правильность показаний датчика. Этот процесс и есть калибровка. Надежные производители поставляют полностью откалиброванные устройства и предоставляют инструкции по повторной калибровке для проверки точности датчика.
Точность полученных данных имеет первостепенное значение, поскольку вы будете принимать важные решения, основанные на последующем анализе данных, который будет иметь мало ценности, если данные окажутся неверными.
Следующие важные шаги
Датчики и приводы в IoT работают вместе, как связующие звенья. После завершения проектирования устройства вы будете готовы к созданию прототипа вашей IoT-системы. Наиболее эффективным является использование облачного решения IoT, которое может принимать данные с устройств и предоставлять возможность запросов или визуализации данных.
Материал подготовлен в рамках курса «Разработчик IoT». Если вам интересно узнать подробнее о формате обучения и программе, познакомиться с преподавателем курса — приглашаем на день открытых дверей онлайн. Регистрация здесь.
Датчики интернета вещей
Датчики интернета вещей (IoT-датчики) – это устройства, которые измеряют характеристики объектов, подключенных к Интернету вещей, фиксируют изменения внешней среды и затем преобразуют полученные данные для дальнейшей обработки.
Таким образом, главная задача IoT датчиков – улавливать изменения заданных параметров в окружающей среде и затем преобразовывать полученные данные в цифровой вид.
По типу выходного сигнала IoT датчики классифицируются:
По способу передачи информации IoT датчики можно классифицировать:
Для организации взаимодействия с серверами и пограничными устройствами используются преимущественно Беспроводные технологии, такие как Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT (сотовая связь).
NB-IoT датчики – это датчики IoT, работающие в стандарте NB-IoT (Narrow Band Internet of Things)* – стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объёмами обмена данными.
Производитель NB-IoT-датчиков выделяет следующие преимущества:
– Низкое энергопотребление (вплоть до 10 лет в сети от батареи емкостью 5 Вт*ч)
– Огромная емкость сети (десятки-сотни тысяч подключенных устройств на одну базовую станцию) Низкая стоимость устройств
Организация сети и количество датчиков в ней определяют необходимое количество пограничных устройств, отвечающих за анализ данных с датчиков перед отправкой информации на облачные серверы.
Что такое IoT и что о нем следует знать
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это множество физических объектов, подключенных к интернету и обменивающихся данными. Концепция IoT может существенно улучшить многие сферы нашей жизни и помочь нам в создании более удобного, умного и безопасного мира. Примеры Интернета вещей варьируются от носимых вещей, таких как умные часы, до умного дома, который умеет, например, контролировать и автоматически менять степень освещения и отопления. Также ярким примером служит так называемая концепция умного предприятия (Smart Factory), которое контролирует промышленное оборудование и ищет проблемные места, а затем перестраивается так, чтобы не допустить поломок. Интернет вещей занимает важное место в процессе цифровой трансформации в компаниях. Прогнозируется, что к 2030 году количество подключенных к сети устройств вырастет примерно до 24 млрд с годовой выручкой до 1,5 трлн долларов.
История происхождения
Термин «Интернет вещей» был впервые употреблен в 1999 году Кевином Эштоном, предпринимателем и соучредителем центра Auto-ID Labs (независимая сеть лабораторий и исследовательская группа в области сетевой радиочастотной идентификации и новых сенсорных технологий) при Массачусетском технологическом институте. Эштон состоял в команде, которая сумела изобрести способ подключения объектов к интернету с при помощи технологии RFID. RFID-метка — это метка идентификации, позволяющая идентифицировать объекты посредством радиосигналов; на нее можно нанести определенную информацию, а позднее считать устройством.
В 2012 году произошли значительные изменения датчиков, что привело к ускорению рыночной готовности IoT, и для многих компаний это означало, что цифровая трансформация набирает обороты. Технологическое совершенствование сделало возможным появление МЭМС — микроэлектромеханических систем (миниатюрное устройство, изготовленное методом микрообработки как из механических, так и из электрических компонентов). Благодаря этому датчики уменьшились настолько, что их стало возможно фиксировать, например, на одежде.
История развития IoT. Источник изображения: https://www.avsystem.com/blog/what-is-internet-of-things-explanation/
Из чего состоит IoT? Архитектура
Для простоты попробуем разбить стек технологий IoT на четыре технологических уровня и рассмотреть их раздельно.
Конечные устройства
Устройства — это объекты, которые фактически образуют «вещи» (Things) в Интернете вещей. Они играют роль интерфейса между реальным и цифровым мирами и принимают разные размеры, формы и уровни технологической сложности в зависимости от задачи, которую они выполняют в рамках конкретного развертывания IoT. Будь то микрофоны размером с булавочную головку или внушительного размера машины, практически любой материальный объект можно превратить в подключенное устройство путем добавления необходимых элементов (датчиков или приводов вместе с соответствующим программным обеспечением).
Программное обеспечение
Это то, благодаря чему подключенные устройства можно назвать «умными». Программное обеспечение отвечает за связь с облаком, сбор данных, интеграцию устройств и за анализ данных в реальном времени. Также оно предоставляет возможности для визуализации данных и взаимодействия с системой IoT.
Коммуникации
Уровень коммуникации включает в себя как решения для физического подключения (сотовая и спутниковая связь, LAN), так и специальные протоколы, используемые в различных средах IoT (ZigBee, Thread, Z-Wave, MQTT, LwM2M). Выбор подходящего коммуникационного решения — одна из жизненно важных частей при построении каждой IoT-системы. Выбранная технология будет определять не только способы отправки и получения данных из облака, но способы связи со сторонними устройствами.
Платформа
Устройства способны «ощущать», что происходит вокруг и сообщать об этом пользователю через определенный канал связи. IoT-платформа — это место, где все эти данные собираются, анализируются и передаются пользователю в удобной форме. Платформы могут быть установлены локально или в облаке. Выбор платформы зависит от требований конкретного проекта IoT и многих факторов: архитектура и стек технологий, надежность, параметры настройки, используемые протоколы, аппаратная независимость, безопасность, эффективность, стоимость.
Ниже можно рассмотреть подробнее составляющие трех уровней IoT: конечных устройств (вещей), сети, облака.
Типовая архитектура IoT-системы. Источник изображения: https://ru.rsdelivers.com/campaigns/InternetofThings/internet-of-things
Безопасность
Одновременно с тем фактом, что IoT-системы несут в себе значительную бизнес-ценность, интеллектуальные объекты также становятся уязвимы для киберпреступности, в результате которой может происходить утечка данных, в том числе и конфиденциальной информации. Несмотря на то, что поле работы с вопросом безопасности остается огромным, сейчас существуют решения, позволяющие осуществлять развертывание IoT более надежно. Например, для решения проблемы устаревания программного обеспечения устройств, есть возможности эффективных стратегий автоматическиого обновления.
Благодаря SOTA (Software Over the Air) «обновление по воздуху» и FOTA (Firmware Over the Air) — «прошивка по воздуху», программное обеспечение подключенных устройств и настройки можно обновлять с помощью беспроводной связи.
Примеры областей применения IoT
IoT применим в разных отраслях для различных целей: отслеживания потребительского поведения в режиме реального времени, улучшения качества работы машин и систем, нахождение инновационных методов работы в рамках цифровой трансформации и многое другое.
Розничная торговля
Среди примеров приложений IoT в сфере розничной торговли можно встретить множество случаев использования интеллектуальных устройств для повышения качества обслуживания в магазинах. В частности, различные приложения IoT здесь означают, что возможности использования смартфонов (на основе технологии Beacon — миниатюрных маячков) облегчают общение между розничными продавцами и покупателями, а наиболее востребованные товары и услуги появляются перед глазами клиентов в нужном месте. Кроме того, интеллектуальная розничная торговля открывает возможности для приложений IoT с точки зрения точной рекламы, улучшения цикла цепочки поставок и фактического анализа моделей спроса. Также приложения IoT уже включают приложения для платежей NFC и интеллектуальных покупок. И конечно, нельзя не упомянуть RFID-метки для маркировки товара, которые обеспечивают моментальный и точный сбор информации, что помогает непрерывно отслеживать перемещение товаров, упростить процесс инвентаризации и в целом сократить количество ошибок.
Источник изображения: https://www.pochta.ru/support/post-rules/rfid
Производство
Благодаря IoT производство может получать общую картину о процессах производства и состоянии продукта на всех этапах — от поставки сырья до отгрузки готового продукта.
С помощью датчиков, установленных на заводском оборудовании и в складских помещениях, анализа больших данных и прогностического моделирования (predictive modeling) можно предотвратить множество ошибок, ведущих к простою и убыткам, максимизировать производительность, уменьшить гарантийные расходы и в целом улучшить качество клиентского сервиса.
Здравоохранение
С помощью технологии IoMT (The Internet of Medical Things, Интернет медицинских вещей) в режиме реального времени происходит сбор потоков малых данных из медицинских сетевых и других носимых устройств, отслеживающих различные физиологические моменты, связанные со здоровьем пациентов — движения, динамика сна, сердечный ритм, аллергические реакции и прочее. Собранные данные помогают врачам в постановке точных диагнозов, построении плана лечения, повышают безопасность пациентов, упрощают уход за ними, дают возможность непрерывного мониторинга состояния тяжелобольных пациентов.
Применение Интернета вещей способствует созданию более персонализированного подхода к анализу состояния здоровья и более последовательных стратегий борьбы с болезнями.
Ключевые моменты в сфере здравоохранения, которые можно улучшить с помощью IoT. Источник изображения: https://evercare.ru/news/kak-internet-medicinskikh-veschey-vliyaet-na-zdravookhranenie
Энергетика
Здесь с помощью IoT конструкция электрических сетей меняет правила потребления, автоматически собирая данные и обеспечивая мгновенный анализ циркуляции электроэнергии. В результате этого и клиенты, и поставщики лучше понимают, как оптимизировать использование ресурса.
Заключение
Революция в области Интернета вещей представляется важной для развития бизнеса, и это может относиться к любому типу предприятия. Будь то выращивание устриц или создание системы управления движением, самое ценное в технологической концепции IoT — это то, что он открыт к новым вызовам, и в нем достаточно возможностей для реализации практически любой бизнес-идеи.
Прямо сейчас в OTUS открыт набор на курс «Разработчик IoT». Приглашаем на бесплатный вебинар, в рамках которого наши эксперты расскажут еще больше о том, что такое интернет вещей и где он применяется, а также о карьерных перспективах в данной сфере.
Из чего состоит IoT
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
В данной статье мне хотелось бы рассмотреть то, посредством каких именно “вещей” может быть реализована в нашем мире эта идея и то, какими способами они могут взаимодействовать друг с другом или со внешней средой.
Базовые элементы делятся на несколько типов: сенсоры, актуаторы и гейты.
Сенсоры
Пожалуй нет смысла объяснять смысл и назначение этого типа элементов. Оно ничем не отличается от стандартных: разнообразные термометры, микрофоны, камеры и десятки прочих, менее распространённых устройств. Некоторые из них можно увидеть на изображении Sensors Starter Kit для Arduino:
Актуаторы
Данный тип элементов предназначается для того, чтобы воздействовать на окружающую среду, или на определённый объект в ней. Эту роль могут выполнять самые разнообразные устройства: от сервоприводов и динамиков до замков (конечно, электронных) с осветительными приборами.
Гейты
Это устройства, на которые обычно возлагают логику поверхностного анализа информации, поступающей от подключенных к ним сенсоров. В определённых ситуациях, анализ данных может требовать малого количества вычислительных ресурсов, так что гейты вполне способны принимать некоторые решения самостоятельно. Принимая такие решения, они отправляют определённые команды управления на актуаторы, которые, в свою очередь, выполняют уже свои функции.
Если же обработка иформации требует больших затрат, или эта информация подлежит сбору, гейты отправляют её на сервера, где с ней и производится дальнейшая работа. Вполне себе вероятно использование в роли гейтов микрокомпьютеров (вверху) или микропроцессоров (внизу):
Для того, чтобы построить мониторинговую систему, достаточно будет использования лишь сенсоров и некоторого сервера, который будет выступать в роли гейта. Например, благодаря сенсору движения и условной “малине”, можно без особых усилий организовать учёт количества людей, проходящих через какую-нибудь проходную.
Добавив в ранее сконструированную модель актуатор в лице динамика, можно добиться того, чтобы проход каждого n-ного проходящего был подзвучен величественными фанфарами.
Так, усложнять конструкцию подобной ячейки можно довольно долго. Однако в определённый момент неизбежно появится необходимость в долгосрочном хранении собранной статистики, её анализе, визуализации и прочем. Здесь понадобятся уже полноценные сервера, которым можно будет делегировать данные обязанности. Такие сервера в совокупности образуют облака, к которым и подключаются гейты.
Транспорт
Теперь, когда уже более или менее ясно, какие устройства используются для создания инфраструктуры, можно посмотреть на то, какими средствами эти устройства друг с другом взаимодействуют. Как видно на первом изображении, есть 2 условные группы — облако и периферия.
Ячейки, состоящие из вышеперечисленных типов устройств, как можно заметить, находятся в периферии и для коммуникации используют специальные протоколы взаимодействия. Более всего распространены LoRa и ZigBee. Обе эти сети являются очень медленными в сравнении, например, с 4G или даже с 3G, однако имеют и свои преимущества.
Одним из главных является их энергоэффективность. Дело в том, что идея интернета вещей заключается в создании среды устройств, коммуницирующих между собой без участия человека. Стоит заметить, что в некоторых случаях полностью избежать вмешательства человека избежать не удастся. Например, в системе подсчёта количества прошедших человек есть сенсор движения. Ему, как и любому другому электрическому устройству, необходимо питание. Проводить провода с питанием к каждому такому сенсору (если их больше 5 и они сильно разбросаны в пространстве) кажется не лучшей идеей. Соответственно, работать они будут от батареек или аккумуляторов. Если потребление заряда будет чрезмерным, элементы питания им нужно будет менять довольно часто. А это приведёт к тому, от чего стремится уйти интернет вещей — нужно же будет кому-то заменять эти батарейки. А вот если сенсоры будут энергоэффективны, то достаточно будет просто вставить батарейку и забыть об этом на год, два, пять и т. д.
Ещё одним преимуществом этих сетей является высокая помехоустойчивость. Каждый бит информации в этих сетях отправляется отдельным радиосигналом, поэтому его довольно просто выделить на фоне эфирного шума.
Небольшое сравнение LoRa и ZigBee
500 м (зависит от мощности передатчика)
А вот между периферией и облаком, а так же и внутри облака, используются, обычно, знакомые и привычные всем wi-fi с ethernet, сотовые и спутниковые сети и т. д.
Сравнение разных видов сетей на основе скорости и дальности
Заключение
Теперь, рассмотрев устройство сетей интернета вещей, можно точно сказать, что в плане аппаратной части нет ничего загадочного и сложного. Сделать простенькую IoT-сеть может любой желающий, способный купить довольно дешёвые на сегодняшний день компоненты и написать код из пары строк. Однако для того, чтобы разработать и притворить в жизнь серьёзные проекты как, например, реализацию концепции умного дома или даже умного города, нужно приложить огромное количество усилий. Ведь для того, чтобы все эти устройства работали между собой нужна платформа, способная контролировать все протекающие процессы.
Так же не стоит забывать, что в облаках интернета вещей могут использоваться и другие технологии, помогающие раскрыть его потенциал в большей степени. Такими могут выступать и BigData, и BlockChain, и нейросети с машинным обучением. А ведь каждая из последних перечисленных технологий являет собой отдельную обширную область компьютерных (и не очень) наук.
Роль датчиков в сети интернета вещей
Интернет вещей (IoT) и периферийные вычисления (edge computing) спровоцировали внедрение во множество областей жизни smart-технологий: умный город, умные фабрики, умное сельское хозяйство, умная медицина и многое другое. Основа данных технологий – сбор данных в режиме реального времени с помощью различных датчиков и последующий анализ полученных данных.
TechJury, компания, специализирующаяся на программном обеспечении, проанализировав прогнозы различных фирм, предсказывает, что к 2025 году количество устройств, подключенных к интернету вещей, достигнет 64 миллиардов. В то же время маркетинговая компания Grand View Research прогнозирует, что рынок интернета вещей в том же году достигнет 949,42 миллиардов долларов. Постоянно ускоряющийся рост производства различных типов датчиков также говорит о росте индустрии интернета вещей. Обновление аппаратной и программной части датчиков и систем на их основе происходит стремительными темпами, и ожидается, что в ближайшие 25 лет размеры датчиков значительно сократятся, а сами датчики станут еще «умнее» и дешевле, что в свою очередь увеличит масштаб их использования.
В статье описана работа разных типов датчиков, а также принцип их взаимодействия с Интернетом вещей.
Как работают датчики?
Работа облачных серверов IoT и пограничных (шлюзовых) устройств зависят от датчиков, отвечающих за сбор данных в режиме реального времени. Так как окружающая нас действительность, как правило, оперирует сигналами, представленными в аналоговой форме, такими как температура в градусах Цельсия, расстояние в метрах, скорость в километрах в час, давление в ньютонах на квадратный метр и т. д., задача датчиков состоит в том, чтобы улавливать изменения данных параметров в окружающей среде и затем преобразовывать полученные данные в цифровой вид.
На рисунке 1 отображена конфигурация сети IoT с подключенными датчиками. Датчики являются конечной точкой в сети Интернета вещей, так как находятся дальше от облачных серверов, чем другие устройства сети. Несмотря на то, что датчики имеют небольшие размеры и не являются такой важной частью сети как облачные серверы, они могут сыграть решающую роль в проектировании и работе системы. Одним из примеров важности датчика в системе являются недавние крушения самолетов Boeing 737 Max, где одним из факторов, повлекших за собой обе трагедии, стала именно неисправность датчика.
Датчики должны подключаться и взаимодействовать с пограничными устройствами и облачными серверами для работы в сети IoT. В настоящее время для организации взаимодействия с серверами и пограничными устройствами используются преимущественно беспроводные технологии, такие как Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT (сотовая связь). Организация сети и количество датчиков в ней определяют необходимое количество пограничных устройств, отвечающих за выполнение граничных вычислений (анализа данных с датчиков) перед отправкой информации на облачные серверы.
Рис. 1. Блок-схема сети интернета вещей, показывающая взаимосвязь между датчиком и сетью IoT
Сколько типов датчиков применяется в настоящее время?
Датчики могут быть использованы для измерения света, звука, температуры, давления, положения, изменения высоты и расстояния, газового состава воздуха, скорости и направления движения, плотности и состава жидкости и так далее. Существует также множество датчиков на основе технологий, используемых для обнаружения и распознавания объектов: радар, LiDAR, световой детектор, магнитный детектор, детектор инфракрасного излучения (IR), датчики на основе индуктивностей, устройства обработки изображений, устройства для работы с ультразвуковым излучением, сонары, устройства для работы с фотонным излучением, сенсорное распознавание, энкодеры и многое другое.
Ниже приведен примерный список доступных на сегодняшний день типов датчиков (рисунок 2):
Рис. 2. Типы датчиков
Помимо прочего, датчики также могут быть классифицированы как активные и пассивные, аналоговые и цифровые.
Активные датчики обычно требуют внешней поддержки для работы. Это может быть внешний источник питания или беспроводная передача энергии на основе индуктивностей. В качестве примера можно привести дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT), который может использоваться для преобразования линейного перемещения в эквивалентные электрические сигналы: при работе с LVDT энергия приходит от линейного перемещения через индуктивности без внешнего источника энергии. Пассивные датчики не нуждаются в стимуляции для работы, например, термопара сможет преобразовывать тепло непосредственно в электрические сигналы и без дополнительных источников энергии.
В сети интернета вещей используются как аналоговые, так и цифровые датчики. Аналоговые датчики измеряют аналоговые сигналы, такие как температура, давление и так далее. Данные сигналы должны быть оцифрованы, прежде чем отправиться на микроконтроллер для последующей обработки. Цифровые датчики, в свою очередь, имеют только два состояния (0 и 1) и могут измерять входные сигналы, например, наличие или отсутствие света согласно настроенной чувствительности, выдавая при этом на выход соответствующие значения.
Что такое МЭМС?
МЭМС расшифровывается как «микроэлектромеханические системы». МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Благодаря данной технологии, функционал датчика можно уместить в значительно меньшем пространстве, чем это было бы, если бы при изготовлении использовались дискретные компоненты. Например, в устройство МЭМС, построенное на базе интегральной микросхемы, можно добавить, в дополнение к осям x и y, третью ось для измерения перемещений без изменения размеров конечного устройства. Подобный датчик МЭМС будет реагировать на перемещения, создавая внутри себя разницу электрического потенциала, регистрируемую как изменение емкости датчика.
Рис. 3. Использование МЭМС-датчиков для моделирования функций человеческого организма
МЭМС-датчик объединяет электрические и механические функции в одном корпусе. Электрические элементы выполняют обработку данных, а механические элементы отвечают за реакцию на внешнее воздействие окружающей среды. Это похоже на миниатюрную машину, заключенную внутрь микросхемы с размерами от 1 до 100 мкм и толщиной меньше человеческого волоса. МЭМС-датчики имеют широкое применение (рисунок 3). В качестве примера можно привести датчики срабатывания подушек безопасности автомобиля, способные определять возникновение аварии и инициировать срабатывание подушек.
С целью продвижения и развития МЭМС-технологий был создан международный консорциум SEMI-MEMS & Sensors (MSIG), в который на данный момент входят 120 компаний. Ожидается, что технология МЭМС будет продолжать свое развитие и ее роль в мире датчиков и Интернета вещей будет только возрастать.
Что такое умные датчики?
Сам по себе датчик способен лишь реагировать на изменения определенной физической величины во внешней среде и преобразовывать полученные данные в цифровой формат для отправки на внешний микроконтроллер. Вся «умная» часть датчика находится именно в микроконтроллере, отвечающим за обработку данных с датчика. Объединение микроконтроллера и датчика в единый модуль позволило создать так называемый умный (smart) датчик, который, благодаря современным технологиям производства, может иметь достаточно небольшие размеры (рисунок 4).
Например, микросхема BHA250 производства Bosch Sensortec (рисунок 5) объединяет в себе 32-разрядный микроконтроллер с 14-разрядным датчиком ускорения в корпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм. Другой пример – решения компании TE, представляющие собой датчики с разъемами для подключения, заключенные в компактный корпус, но при этом обеспечивающие широкий функционал.
Рис. 4. BHA250 от Bosch Sensortec, объединяющий 32-разрядный микроконтроллер с 14-разрядным датчиком ускорения в компактном корпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм
Рис. 5. Пример использования МЭМС-датчиков в приложениях IoT для обнаружения парковочных мест, отслеживания активности, подсчета шагов, мониторинга сна и т.д.
Насколько сложно проектировать системы с датчиками?
Многие производители модулей и микросхем датчиков упрощают процесс разработки системы, предоставляя своим клиентам готовые наборы для создания систем датчиков. Разработчики могут использовать подобные наборы для отладки и разработки, прежде чем создать окончательный вариант системы.
STMicroelectronics недавно представила гибкий модуль подобного типа под названием SensorTile.box. Модуль включает в себя маломощный микроконтроллер ARM Cortex-M4 с DSP и блоком, производящим операции с плавающей точкой (FPU), плюс несколько датчиков. На борту SensorTile.box расположены следующие датчики:
SensorTile.box имеет небольшие размеры (57 x 38 x 20 мм) (рисунки 6 и 7) и Bluetooth на борту. Модуль способен работать «из коробки» без необходимости задания программного кода, что полезно для разработчиков, желающих сразу начать работу с устройством. Однако SensorTile.box также поддерживает программирование и отладку в открытой среде разработки STMicro STM32 (ODM STM32), которая позволяет пользователю самому задать алгоритм работы модуля и поддерживает различные типы библиотек, в том числе библиотеки по работе с искусственным интеллектом и нейронными сетями.
С каждым годом все больше производителей поставляют на рынок готовые решения, подобные SensorTile.box от STMicroelectronics, что позволяет упростить процесс разработки и создания новых систем на основе датчиков.
Рис. 6. Внешний вид модуля SensorTile.box с интегрированным Arm Cortex-M4 и датчиками
Рис. 7. Блок-схема SensorTile.box, отображающая функционал модуля
Что необходимо учесть при выборе датчика?
Перед выбором датчика следует обратить внимание на следующие критерии: