Sensori smart – Panoramica sulle tecnologie più recenti

di Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing, Farnell

 

Le applicazioni IoT per infrastrutture urbane, fabbriche o dispositivi indossabili, utilizzano una vasta gamma di sensori che raccolgono dati da trasmettere via Internet a una risorsa centrale in cloud. Il software di analitica che gira sui computer collegati in cloud riduce gli enormi volumi di dati generati in informazioni facilmente gestibili dagli utenti e invia i comandi agli attuatori sul campo.

I sensori sono un fattore chiave del successo dell’IoT – ma questi sensori non sono come quelli tradizionali, che convertono semplicemente variabili fisiche in segnali elettrici. Per svolgere ruoli tecnicamente ed economicamente vitali all’interno dell’ambiente IoT, questi sensori si sono evoluti in qualcosa di molto più sofisticato.

Questo articolo inizia con uno sguardo a ciò che l’IoT si aspetta dai sensori: cosa serve per ottenere i grandi array di sensori caratteristici dell’IoT. Analizziamo quindi le risposte dei produttori e i miglioramenti alla fabbricazione, la maggiore integrazione e l’intelligenza integrata che hanno introdotto, fino ad arrivare al concetto di sensori smart ora in ampio uso.

Nel corso dell’articolo diventerà evidente che l’intelligenza dei sensori, oltre a facilitare la connettività dell’IoT, crea ulteriori vantaggi legati alla manutenzione predittiva, a una produzione più flessibile e a una produttività ottimizzata.

 

Cosa si aspetta l’IoT dai suoi sensori?

Tradizionalmente i sensori sono sempre stati dispositivi semplici, che convertono variabili fisiche in segnali elettrici o cambiamenti in proprietà elettriche. Mentre questa funzionalità è un punto di partenza essenziale, per essere componenti dell’IoT i sensori devono avere anche le seguenti qualità :

• Basso costo, per potere essere utilizzati in gran numero
• Dimensioni fisiche ridotte, in modo da ‘scomparire’ discretamente in qualsiasi ambiente
• Connettività senza fili, dal momento che una connessione via filo non è solitamente possibile
• Capacità di auto-identificazione e auto-validazione
• Bassa potenza, per poter durare anni senza cambiare la batteria o per funzionare tramite Energy Harvesting
• Solidità, per minimizzare o eliminare le manutenzioni
• Auto-diagnostica e auto-rigenerazione
• Capacità di auto-calibrazione o di accettare i comandi di calibrazione attraverso connessioni wireless
• Capacità di pre-elaborare dati per ridurre il carico su gateway, PLC e risorse su cloud

Ulteriori caratteristiche avanzate:

• Le informazioni da più sensori possono essere combinate e correlate per dedurre conclusioni su problemi persistenti. Per esempio, i dati provenienti da sensori di temperatura e vibrazione si possono usare per rilevare l’eventuale presenza di guasti tecnici. In alcuni casi, le funzioni di due sensori sono disponibili su uno stesso dispositivo; in altri, le funzioni si combinano nel software per creare un sensore ‘soft’.

 

La risposta dei produttori – Soluzioni di sensori smart

In questa sezione esaminiamo i tipi di sensori smart sviluppati per applicazioni IoT, sia per quanto riguarda i componenti che la loro fabbricazione. Elencheremo quindi alcuni vantaggi che derivano dall’intelligenza integrata dei sensori, soprattutto le possibilità di auto-diagnostica e auto-riparazione.

 

Cosa contiene un sensore smart e di cosa è capace?

Abbiamo esaminato le aspettative dell’IoT per quello che riguarda un sensore smart, ma come ha risposto l’industria? Che cosa contiene un moderno sensore smart e di cosa è capace?

Figura 1: Componenti di un sensore smart 

I sensori smart sono costruiti come componenti IoT in grado di convertire una variabile rilevata dal mondo reale in un flusso di dati digitali da trasmettere a un gateway. La Fig. 1 mostra come avviene. Gli algoritmi di applicazione sono eseguiti da un’unità integrata con microprocessore (MPU) che può svolgere funzioni di filtraggio, compensazione e altri compiti di condizionamento del segnale specifici.

L’intelligenza dell’MPU può essere utilizzata comunque per molte altre funzioni, nell’ottica di ridurre il carico sulle risorse più centrali dell’IoT. Per esempio, i dati di calibrazione possono essere inviati all’MPU in modo che il sensore si imposti automaticamente per qualsiasi cambiamento di produzione. L’MPU può anche rilevare il superamento di qualsiasi parametro di produzione oltre le norme accettabili e generare di conseguenza degli allarmi; gli operatori possono così intraprendere azioni preventive prima che si verifichino guasti catastrofici.

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All’occorrenza il sensore può lavorare nella modalità ‘Report by Exception’, in cui i dati vengono trasmessi solo se il valore della variabile misurata cambia significativamente rispetto ai valori del campione precedente. Ciò riduce sia il carico sulle risorse di computazione centrali che i requisiti di potenza del sensore smart, il che di solito rappresenta un vantaggio essenziale dal momento che il sensore deve contare su una batteria o sull’accumulo di energia in assenza di una fonte di energia collegata.

Se la sonda del sensore smart comprende due elementi, l‘auto-diagnostica può avvenire internamente. Qualsiasi deriva nelle uscite di uno degli elementi del sensore potrà quindi essere subito rilevata. Inoltre se un sensore smette di funzionare completamente, per esempio a causa di un cortocircuito, il processo può continuare nel secondo elemento di misurazione. In alternativa, una sonda può contenere due sensori che funzionano insieme per garantire un miglior feedback di monitoraggio.

Fig.2: Schema a blocchi funzionale di un indicatore di guasto intelligente basato sull’MCU FRAM MSP430

Fabbricazione

Per ottenere la massima potenzialità dell’IoT, i metodi di fabbricazione dei sensori devono continuare a ridurre dimensioni, peso, potenza e costo (SWaP-C) di componenti e sistemi. Lo stesso principio deve applicarsi all’involucro del sensore che, al momento, rappresenta l’80 percento del costo totale e del fattore di forma.

I sensori si dicono smart quando elementi di sistemi microelettromeccanici (MEMS) vengono strettamente integrati con circuiti integrati (IC) con tecnologia CMOS. Questi IC forniscono i bias del dispositivo, l’amplificazione di segnale e altre funzioni di elaborazione del segnale. Originariamente la tecnologia di confezionamento sottovuoto a livello del wafer (WLVP) utilizzata veniva applicata solo ai sensori discreti, mentre i sensori smart erano realizzati collegando chip discreti MEMS a chip IC attraverso l’involucro o il substrato della scheda, in un approccio chiamato integrazione multi-chip.

Un approccio ottimizzato collega direttamente l’IC CMOS e gli elementi dei sensori, senza l’utilizzo di strati di routing nell’involucro o nella scheda, in una costruzione definita system-on-chip (SoC). In confronto al packaging discreto multi-chip, di solito il SoC è più complesso ma porta alla riduzione delle correnti parassite, a un ingombro minore, a una densità di interconnessione maggiore e a costi di packaging inferiori.

 

Altri vantaggi dell’intelligenza dei sensori smart

I sensori smart fotoelettrici possono rilevare pattern nella struttura di un oggetto ed eventuali variazioni degli stessi. Ciò avviene autonomamente nel sensore e non in un elemento esterno, il che aumenta la rapidità di elaborazione e riduce il carico di lavoro del processore centrale o del PLC locale.

La flessibilità di produzione è migliorata: un vantaggio chiave nel competitivo ambiente odierno. I sensori intelligenti possono essere programmati da remoto con i parametri adatti ogni volta che si richiede il cambiamento di un prodotto. La produzione, il controllo, il confezionamento e la spedizione possono essere regolati anche per lotti di una sola unità a costi di produzione di massa, di modo che ogni consumatore possa ricevere un prodotto unico e personalizzato.

Il feedback dei sensori di posizione lineari risente di solito di problemi che derivano dal rumore di sistema, dall’attenuazione del segnale e dalle dinamiche di risposta. Per superare questi problemi è necessario regolare ogni sensore.

 

Sensori smart con capacità auto-diagnostiche e auto-rigeneranti

I sensori smart possono essere adatti anche ad applicazioni fondamentali per la sicurezza come il rilevamento di gas pericolosi, incendi o intrusi. Le condizioni in questi ambienti possono essere dure e i sensori difficili da raggiungere per svolgere i servizi di manutenzione o sostituzione della batteria, ma la loro alta affidabilità rimane un punto indispensabile. Un team presso il Centro di Ricerca Lab-STICC della University of South-Brittany ha sviluppato una soluzione che migliora l’affidabilità utilizzando sonde duali e hardware in grado di auto-diagnosticarsi e auto-ripararsi.

Lo scopo finale del progetto è integrare tutti gli elementi in un unico dispositivo discreto, adatto per applicazioni come rilevamento di gas pericolosi in zone come porti o magazzini.

Il documento ‘L’autodiagnosi online basata sul monitoraggio di potenza per un nodo sensore wireless’ (On-line self-diagnosis based on power measurement for a wireless sensor node’) descrive un nodo in grado di indicare un errore interno e prendere le dovute misure correttive per migliorare l’affidabilità e l’efficienza energetica. Ciò riduce la vulnerabilità del nodo e i costi di manutenzione. Il brief della progettazione individua i limiti di questi sensori: autonomia di batteria limitata, accumulo di energia soggetto al comportamento inaffidabile delle fonti di energia, elaborazione e risorse di archiviazione limitate e necessità di comunicazioni wireless.

Il nodo è dotato di due sensori: in condizioni normali il primo cattura i dati ambientali, mentre il secondo viene attivato solo dagli utenti per verificare i dati ottenuti.

Se il primo sensore fallisce, l’affidabilità del nodo si riduce mentre l’energia della batteria si disperde per supportare il sensore non funzionante. Se il nodo scollega il primo sensore e si sposta sul secondo, invece, non si spreca alcuna energia e l’affidabilità del nodo viene mantenuta.

Di conseguenza, l’obiettivo del sensore è sviluppare un’auto-diagnostica innovativa, basata su test funzionali e fisici, per rilevare un errore di hardware in qualsiasi componente del nodo sensore wireless. Questo metodo può identificare con esattezza quale componente presenta un errore e indicare misure correttive idonee.

La Figura 2 mostra la configurazione dell’hardware del nodo sensore auto-riconfigurabile. I suoi componenti comprendono un processore, una memoria RAM/FLASH, un’Interfaccia per Attuatore e Sensori (IAS) per interfacciarsi con l’ambiente, un Modulo Ricetrasmettitore (RTM) per trasmettere e ricevere dati e una batteria con interruttori di alimentazione (convertitori CC/CC). Il nodo include inoltre un Gestore di Potenza e Disponibilità (PAM) combinato con una zona configurabile FPGA. Il primo è considerato la parte intelligente per l’utilizzo migliore di energia, auto-diagnosi e la tolleranza degli errori, mentre l’altro migliora la disponibilità del nodo sensore.

Figura 3: Configurazione dell’hardware del nodo sensore wireless

La tabella in Fig. 3 mostra come il nodo sensore può rispondere a una varietà di problemi riguardanti i nodi. L’FPGA contiene una CPU soft core 8051 che si attiva quando si necessita di un aumento della prestazione o per sostituire il processore principale quando non funziona. L’FPGA stesso è un Actel IGL00V2 scelto per la sua affidabilità e il basso consumo energetico. Il resto del nodo comprende un processore PlC, memoria RAM, modulo radio transceiver Miwi, due rilevatori di gas Oldham OLCT 80, interruttori di alimentazione LM3100 e MAX618 e una batteria.

Figura 4: La tabella mostra problemi e azioni correttive per il nodo sensore auto-diagnostico

Conclusione

In questo articolo abbiamo visto come i produttori e i ricercatori di chip hanno risposto alla necessità dell’IoT di sensori smart. In parte si è trattato di aggiungere capacità di intelligenza e comunicazione alla funzione base di trasduttore, ma ha anche riguardato l’introduzione di innovazioni a livello di fabbricazione. Integrando gli elementi dei sensori MEMS e le componenti informatiche CMOS su un singolo substrato, i sensori smart possono essere installati in involucri dalle dimensioni ridotte e a basso costo, da integrare in applicazioni con spazio ridotto e garantendo la resistenza alle condizioni ambientali.

Grazie a ciò i progettisti di sistemi IoT possono ora avere i sensori di cui hanno bisogno: piccoli, economici, resistenti e a basso consumo per essere utilizzati intensivamente, garantendo allo stesso tempo l’intelligenza necessaria per trasmettere informazioni utili come pure dati grezzi. Facilitano inoltre un’automazione più flessibile e granulare dal momento che possono accettare i comandi in entrata per la ricalibrazione, per accogliere eventuali cambiamenti nella produzione.

 

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