Роль датчиков в сети интернета вещей

Интернет вещей и периферийные вычисления 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. В статье описана работа разных типов датчиков, а также принцип их взаимодействия с Интернетом вещей
735
В избранное

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.

Блок-схема сети интернета вещей, показывающая взаимосвязь между датчиком и сетью IoT

Рис. 1. Блок-схема сети интернета вещей, показывающая взаимосвязь между датчиком и сетью IoT

Сколько типов датчиков применяется в настоящее время?

Существует множество типов датчиков разных форм и размеров, способных измерить практически любую физическую величину. Некоторые из них представляют собой один единственный компонент, например, светочувствительный диод; другие - модуль с различной периферией и встроенным микроконтроллером.

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):

Типы датчиков

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.

Использование МЭМС-датчиков для моделирования функций человеческого организма

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.

 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. 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

Пример использования МЭМС-датчиков в приложениях IoT для обнаружения парковочных мест, отслеживания активности, подсчета шагов, мониторинга сна и т.д.

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:

  1. Цифровой датчик температуры
  2. IMU-датчик с шестью степенями свободы
  3. Трехосевой акселерометр
  4. Трехосевой магнитометр
  5. Альтиметр/ датчик давления
  6. Микрофон/ аудио датчик
  7. Датчик влажности

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.

Внешний вид модуля SensorTile.box с интегрированным Arm Cortex-M4 и датчиками

Рис. 6. Внешний вид модуля SensorTile.box с интегрированным Arm Cortex-M4 и датчиками

Блок-схема SensorTile.box, отображающая функционал модуля

Рис. 7. Блок-схема SensorTile.box, отображающая функционал модуля

Что необходимо учесть при выборе датчика?

Перед выбором датчика следует обратить внимание на следующие критерии:

  • Точность измерений с точки зрения погрешности и шага измерения. Заранее определите, какое разрешение (шаг измерений) вам нужно. К примеру, в случае измерения температуры может быть достаточно точности в пределах 1 градуса, с другой стороны, при измерении длины погрешность в 0,01 сантиметра может стать критической. Однако стоит учесть, что чем выше разрешение (чем меньше шаг измерений), тем выше стоимость датчика.
  • Диапазон измерений. Необходимо определиться с верхним и нижним пределом измерений. От диапазона измерений также зависит стоимость датчика: чем больше диапазон, тем выше стоимость.
  • Условия окружающей среды. Существуют типы датчиков, способные работать при высокой/низкой температуре с различными степенями влагозащиты и так далее.
  • Надежность. Надежность датчика условно делится на два аспекта. Первый аспект заключается в том, как долго датчики будут работать без поломок. Параметр MTBF (среднее время безотказной работы) показывает, в течение какого времени датчики могут функционировать без сбоев или поломок. Данный показатель особенно важен для датчиков, работающих в удаленных и труднодоступных местах. Второй аспект заключается в том, как долго датчик может работать с необходимой точностью без дополнительной калибровки. Случаи, когда датчик начинает выдавать неточные данные, нередки, однако в большинстве случаев датчик просто требует калибровки.
  • Экстремальные условия. В некоторых случаях датчики должны выдерживать экстремальные температуры, удары и вибрацию.
  • Требования к размеру и весу. В зависимости от применения, датчики могут устанавливаться в устройствах с весьма ограниченными размерами, или для одного устройства может понадобиться установить несколько датчиков.
  • Выбор между интегрированным решением и решением на дискретных компонентах. Интегрированное решение обычно имеет выигрыш в размерах и может значительно упростить разработку и сократить время проектирования. Например, датчик вибрации со встроенной функцией связи LoRaWAN или RF будет занимать значительно меньше места и времени на установку чем его аналог, выполненный на дискретных компонентах. Однако интегрированное решение также может иметь более высокую стоимость по сравнению с аналогом на дискретных компонентах.
  • Если датчики имеют критическую важность для системы, стоит рассмотреть модули с дублированием датчиков.
  • Общая стоимость системы. Помимо стоимости датчика, стоит также помнить о затратах на установку, проектирование и поддержку разрабатываемой системы.

 

Источник: www.microcontrollertips.com

 

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LM335Z
LM335Z
STMicroelectronics
Арт.: 23018 ИНФО PDF
Доступно: 2823 шт. 23,10
Датчик температуры - [TO-92FL-3]; Тип: аналоговый; T изм: -40...100 ; Точность: 1 ; Интерфейс: 10 мВ/°K; Примечания: Точность 1 С (при калибровке на 25 С); Особенности: Рабочий ток от 450?A до 5mA
LM335Z 23,10 от 165 шт. 19,80 от 367 шт. 17,80 от 791 шт. 16,50 от 2082 шт. 15,70
2823 шт.
(на складе)
LM135Z
LM135Z
STMicroelectronics
Арт.: 141622 ИНФО PDF
Доступно: 1164 шт. 82,50
Датчик температуры - [TO-92FL-3]; Тип: аналоговый; T изм: -55...150 ; Точность: 0.5 ; Интерфейс: 10 мВ/°K; Примечания: Точность 0.5 (при калибровке на 25); Особенности: Рабочий ток от 450?A до 5mA
LM135Z 82,50 от 47 шт. 70,50 от 103 шт. 63,50 от 222 шт. 59,00 от 584 шт. 56,00
1164 шт.
(на складе)
LM335AZ
LM335AZ
STMicroelectronics
Арт.: 447726 ИНФО PDF
Доступно: 601 шт. 80,00
Датчик температуры - [TO-92FL-3]; Тип: аналоговый; T изм: -40...100 ; Точность: 1 ; Интерфейс: 10 мВ/°K
LM335AZ 80,00 от 48 шт. 68,50 от 106 шт. 61,50 от 229 шт. 57,00 от 602 шт. 54,00
204 шт.
(на складе)
397 шт.
(под заказ)
LPS22HBTR
LPS22HBTR
STMicroelectronics
Арт.: 2176328 PDF AN RD DT
Доступно: 531 шт. 127,00
PRESSURE SENSOR, 26-126KPA, HLGA-10
LPS22HBTR 127,00 от 30 шт. 109,00 от 67 шт. 98,00 от 144 шт. 91,00 от 379 шт. 86,00
326 шт.
(на складе)
205 шт.
(под заказ)
Производитель: Murata Electronics Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MA40S4R
MA40S4R
Murata Electronics Inc.
Арт.: 190442 ИНФО PDF
Доступно: 277 шт. 308,00
LS: датчик ультразвуковой
MA40S4R 308,00 от 13 шт. 264,00 от 28 шт. 238,00 от 60 шт. 220,00 от 157 шт. 209,00
26 шт.
(на складе)
251 шт.
(под заказ)
MA40S4S
MA40S4S
Murata Electronics Inc.
Арт.: 195004 ИНФО PDF
Доступно: 336 шт. 194,00
TRANSCEIVER, HF, ULTRASONIC
MA40S4S 194,00 от 20 шт. 166,00 от 44 шт. 150,00 от 95 шт. 138,00 от 248 шт. 132,00
336 шт.
(на складе)
Производитель: Lem Group
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LV 25-P
LV 25-P
Lem Group
Арт.: 330860 ИНФО PDF
Доступно: 11 шт. 5900,00
Датчик напряжения
LV 25-P 5900,00 от 2 шт. 5310,00 от 3 шт. 4920,00 от 7 шт. 4670,00 от 15 шт. 4650,00
11 шт.
(на складе)
LV 25-P/SP5
LV 25-P/SP5
Lem Group
Арт.: 438527 ИНФО
Доступно: 21 шт. 3760,00
Датчик напряжения
LV 25-P/SP5 3760,00 от 2 шт. 3380,00 от 5 шт. 3130,00 от 11 шт. 2970,00 от 23 шт. 2960,00
21 шт.
(на складе)
Производитель: Sharp Corp.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GP2Y0A21YK0F
GP2Y0A21YK0F
Sharp Corp.
Арт.: 559989 ИНФО PDF
Доступно: 47 шт. от 1 шт. от 1364,41
Выбрать
условия
поставки
SENSOR, DISTANCE, ANALOGUE OUTPUT,
GP2Y0A21YK0F от 1 шт. от 1364,41
47 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Labfacility Ltd.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
010010TD
010010TD
Labfacility Ltd.
Арт.: 1074527 ИНФО PDF
Доступно: 30 шт. от 1 шт. от 2157,07
Выбрать
условия
поставки
SENSOR, PT100, 4WIRE, 5X35MM
010010TD от 1 шт. от 2157,07
30 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Bosch Gpoup
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
BMP280
BMP280
Bosch Gpoup
Арт.: 1191413 ИНФО PDF
Доступно: 305 шт. 153,00
BMP280 - Датчик для измерения температуры и давления. Абсолютный, подходит для измерения атмосферного давления. Цифровой выход I2C или SPI с уровнями 3,3 / 5 В.…
BMP280 153,00 от 25 шт. 131,00 от 56 шт. 118,00 от 120 шт. 109,00 от 316 шт. 103,00
119 шт.
(на складе)
186 шт.
(под заказ)
Производитель: NV Melexis SA
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MLX90614ESF-ACF-000-TU
MLX90614ESF-ACF-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1340725 ИНФО PDF DT
Доступно: 32 шт. 1980,00
Features and Benefits Small size, low cost Easy to integrate Factory calibrated in wide temperature range: -40…+125°C for sensor temperature and -70…+380°C for object temperature.…
MLX90614ESF-ACF-000-TU 1980,00 от 2 шт. 1700,00 от 5 шт. 1530,00 от 10 шт. 1420,00 от 25 шт. 1350,00
32 шт.
(на складе)
Производитель: Weidmuller
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
1375510000
1375510000
Weidmuller
Арт.: 1885940 ИНФО PDF
Доступно: 6 шт. от 1 шт. от 10303,90
Выбрать
условия
поставки
Измерительный мостовой прео
1375510000 от 1 шт. от 10303,90
6 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Aosong(guangzhou) Electronics Co.,ltd.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DHT11
DHT11
Aosong(guangzhou) Electronics Co.,ltd.
Арт.: 2085023 ИНФО
Доступно: 7 шт. 450,00
датчик влажности и температуры
DHT11 450,00 от 9 шт. 386,00 от 19 шт. 347,00 от 41 шт. 321,00 от 100 шт. 305,00
7 шт.
(на складе)
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DPS310XTSA1
DPS310XTSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2113492 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 449 шт. 145,00
Датчик атмосферного давления
DPS310XTSA1 145,00 от 27 шт. 124,00 от 59 шт. 112,00 от 127 шт. 103,00 от 332 шт. 98,50
449 шт.
(на складе)
KP214N2611XTMA1
KP214N2611XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2116038 PDF AN RND
Доступно: 257 шт. 200,00
Manifold Air Pressure Sensor (MAP), The KP214N2611 is a miniaturized Analog Manifold Air Pressure Sensor IC based on a capacitive principle. It is surface m…
KP214N2611XTMA1 200,00 от 9 шт. 200,00 от 20 шт. 200,00 от 43 шт. 200,00 от 113 шт. 200,00
50 шт.
(на складе)
207 шт.
(под заказ)
Производитель: Te Connectivity
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
G-NICO-001
G-NICO-001
Te Connectivity
Арт.: 2261376 ИНФО PDF
Доступно: 225 шт. 60,50
Nickel-RTD Sensors, NI 1000 DIN 43760 KL.B SOT23;Paket: SOT23;Width: 2.4mm;Sensor Type: Sensor Element;Connector Type: SMD;Ambient Temperature Ra…
G-NICO-001 60,50 от 42 шт. 60,50 от 93 шт. 60,50 от 200 шт. 60,50 от 525 шт. 60,50
98 шт.
(на складе)
127 шт.
(под заказ)
G-NIMO-004
G-NIMO-004
Te Connectivity
Арт.: 2261379 PDF
Доступно: 181 шт. 96,50
Digital Temperature Sensors, TSYS02P;Width: 0.098in;Output/Span Resolution: 16bit;Model Number: TSYS02P;Wire/Cladding/Connection: SMD;Output Interface: PW…
G-NIMO-004 96,50 от 15 шт. 96,50 от 33 шт. 96,50 от 71 шт. 96,50 от 185 шт. 96,50
101 шт.
(на складе)
80 шт.
(под заказ)
Производитель: Bosch Sensortec
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
BHA250
Bosch Sensortec
Арт.: 2801608
Доступно: 107 шт. от 1 шт. от 604,02
Выбрать
условия
поставки
BHA250 от 1 шт. от 604,02
107 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()