La tecnologia dei sensori intelligenti al servizio dell’IoT

Le applicazioni Internet of Things (IoT), siano per infrastrutture cittadine, fabbriche o dispositivi indossabili, utilizzano vasti array di sensori che raccolgono dati per la trasmissione su Internet ad una risorsa informatica centrale basata sul cloud. Il software di analisi in esecuzione sui computer cloud riduce gli enormi volumi di dati generati in informazioni fruibili per gli utenti, e in comandi per gli attuatori sul campo. Questo articolo esamina le aspettative dell'IoT riguardo ai suoi sensori: cosa è necessario fare per raggiungere le caratteristiche dell'IoT dell'ampio array di sensori. Quindi, affronta il modo in cui i produttori hanno risposto con miglioramenti alla fabbricazione, maggiore integrazione e intelligenza integrata, culminando nel concetto di sensori intelligenti ora ampiamente utilizzato.

Introduzione

I sensori sono un fattore chiave per il successo dell’IoT, ma non si tratta di tipi convenzionali che convertono semplicemente le variabili fisiche in segnali elettrici. I sensori si sono necessariamente evoluti in qualcosa di più sofisticato per svolgere un ruolo tecnicamente ed economicamente sostenibile all’interno dell’ambiente IoT. L’intelligenza dei sensori, oltre a facilitare la connettività IoT, crea anche molti altri vantaggi legati alla manutenzione predittiva, ad una produzione più flessibile e ad una maggiore produttività. I sensori sono tradizionalmente dispositivi funzionalmente semplici che convertono le variabili fisiche in segnali elettrici o i cambiamenti nelle proprietà elettriche. Sebbene questa funzionalità sia un punto di partenza essenziale, i sensori devono aggiungere le seguenti proprietà per funzionare come componenti IoT:

• Basso costo, quindi possono essere distribuiti economicamente in grandi numeri
• Dimensioni ridotte, per adattarsi fisicamente in qualsiasi ambiente
• Wireless, poiché in genere non è possibile una connessione cablata
• Autoidentificazione e autovalidazione
• Consumo molto basso, quindi può funzionare per anni senza cambiare la batteria o gestire la raccolta di energia
• Robusto, per ridurre al minimo o eliminare la manutenzione
• Autodiagnosi e autoriparazione
• Autocalibrante o calibrazione da remoto tramite collegamento wireless
• Pre-elaborazione dei dati, per ridurre il carico sul gateway, PLC e risorse cloud

Le informazioni provenienti da più sensori possono essere combinate e correlate per trarre conclusioni su problemi latenti; ad esempio, i dati del sensore di temperatura e del sensore di vibrazione possono essere utilizzati per rilevare l'insorgenza di guasti meccanici. In alcuni casi, le due funzioni del sensore sono disponibili in un unico dispositivo; in altri, le funzioni sono combinate nel software per creare un sensore “soft”.

I sensori intelligenti sviluppati per le applicazioni IoT

I sensori intelligenti sono stati sviluppati per le applicazioni IoT in termini sia dei loro elementi costitutivi che della loro fabbricazione, quindi ne conseguono alcuni dei vantaggi che derivano dall'intelligenza integrata dei sensori, in particolare le possibilità di autodiagnosi e autoriparazione. I sensori intelligenti sono costruiti come componenti IoT che convertono la variabile del mondo reale che stanno misurando in un flusso di dati digitali per la trasmissione ad un gateway. Gli algoritmi dell'applicazione vengono eseguiti da un'unità a microprocessore integrata (MPU). Questi possono eseguire il filtraggio, la compensazione e qualsiasi altra attività di condizionamento del segnale specifica del processo.

L’intelligenza della MPU può essere utilizzata anche per molte altre funzioni, nonché per ridurre il carico sulle risorse più centrali dell’IoT; ad esempio, i dati di calibrazione possono essere inviati alla MPU in modo che il sensore venga impostato automaticamente per eventuali modifiche alla produzione. La MPU può anche individuare eventuali parametri di produzione che iniziano ad andare oltre le norme accettabili e generare avvisi di conseguenza; gli operatori possono quindi intraprendere azioni preventive prima che si verifichi un guasto catastrofico.

Se appropriato, il sensore potrebbe funzionare in modalità “report”, in cui trasmette i dati solo se il valore della variabile misurata cambia in modo significativo rispetto ai valori del campione precedente. Ciò riduce sia il carico sulla risorsa informatica centrale, sia i requisiti di alimentazione del sensore intelligente, di solito un vantaggio fondamentale, poiché il sensore deve fare affidamento su una batteria o sulla raccolta di energia in assenza di alimentazione collegata.

Se il sensore intelligente include due elementi nella sonda, è possibile integrare l'autodiagnostica del sensore. Qualsiasi deriva che si sviluppa in una delle uscite del sensore può essere rilevata immediatamente. Inoltre, se un sensore si guasta completamente, ad esempio a causa di un cortocircuito, il processo può continuare con il secondo elemento di misura. In alternativa, una sonda può contenere due sensori che lavorano insieme per migliorare il feedback del monitoraggio.

Fabbricazione dei sensori intelligenti

Per realizzare il pieno potenziale dell’IoT, i metodi di fabbricazione dei sensori intelligenti devono puntare a ridurre sempre più le dimensioni, il peso, il consumo di energia, il costo del componente e del sistema del sensore. La stessa tendenza deve applicarsi al packaging dei sensori, che attualmente rappresenta fino all’80% del costo complessivo e del fattore di forma. I sensori intelligenti si formano quando gli elementi dei sensori del sistema microelettromeccanico (MEMS) sono strettamente integrati con i circuiti integrati CMOS. Questi circuiti integrati forniscono la polarizzazione del dispositivo, amplificazione del segnale e altre funzioni di elaborazione del segnale. Originariamente, la tecnologia di packaging sottovuoto a livello di wafer (WLVP) utilizzata includeva solo dispositivi con sensori discreti, mentre i sensori intelligenti sono stati realizzati collegando chip MEMS discreti a chip di circuiti integrati attraverso il package o il substrato della scheda in un approccio chiamato “integrazione multi-chip”. Un approccio migliorato interconnette direttamente il circuito integrato CMOS e gli elementi del sensore, senza l'uso di strati di instradamento nel package o nella scheda, in una costruzione nota come System-on-Chip (SoC). Rispetto all'approccio di packaging multi-chip discreto, il SoC è in genere più complesso ma comporta una riduzione degli elementi parassiti, ingombri più piccoli, densità di interconnessione più elevate e costi di packaging inferiori.

Ulteriori vantaggi dei sensori intelligenti

I sensori fotoelettrici intelligenti sono in grado di rilevare modelli nella struttura di un oggetto ed eventuali cambiamenti in essi contenuti. Ciò avviene in modo autonomo nel sensore, non in alcun elemento informatico esterno. Questo aumenta la velocità di elaborazione e riduce il carico di elaborazione del processore centrale o del PLC locale. Un vantaggio vitale nell’ambiente competitivo di oggi è la flessibilità produttiva migliorata. I sensori intelligenti possono essere programmati da remoto con parametri adeguati ogni volta che è necessario un cambio di prodotto. La produzione, l'ispezione, l'imballaggio e la spedizione possono essere impostati anche per lotti di una sola unità ai prezzi della produzione di massa, in modo che ogni consumatore possa ricevere un prodotto unico e personalizzato. La funzione di feedback dei sensori di posizione lineare è stata tradizionalmente ostacolata da problemi relativi al rumore del sistema, all'attenuazione del segnale e alla dinamica di risposta. Ogni sensore necessitava di messa a punto per superare questi problemi. Attualmente, i sensori di posizione intelligenti possono autocalibrarsi utilizzando una combinazione di un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) con una serie di sensori magnetoresistivi (MR). Ciò determina in modo accurato e affidabile la posizione di un magnete attaccato a oggetti in movimento come ascensori, valvole o macchinari.

L'array di sensori MR misura l'uscita dei sensori montati lungo la direzione di movimento del magnete. L'uscita e la sequenza del sensore MR determinano la coppia di sensori più vicina al centro della posizione del magnete. L'uscita di questa coppia viene quindi utilizzata per determinare la posizione del magnete tra di loro. Questa tecnologia senza contatto può garantire una maggiore durata del prodotto con tempi di inattività inferiori. Una funzione di autodiagnostica può ridurre ulteriormente i livelli di fermo macchina.

Questi sensori soddisfano anche altri requisiti dei sensori intelligenti IoT. Le loro dimensioni ridotte consentono l'installazione dove lo spazio è limitato, mentre le opzioni di tenuta stagna consentono l'implementazione in ambienti difficili. Sono sufficientemente intelligenti da sostituire diversi componenti di sensori e interruttori insieme al cablaggio aggiuntivo, ai componenti esterni e alle connessioni precedentemente necessarie. Questi speciali sensori sono utilizzati in applicazioni aerospaziali, mediche e industriali.

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