Sensor Cerdas Canggih Mendorong Masa Depan IoT

Aplikasi Internet of Things (IoT) — baik untuk infrastruktur kota, pabrik, atau perangkat wearable — menggunakan sejumlah besar sensor yang mengumpulkan data untuk dikirim melalui Internet ke sumber daya komputasi terpusat berbasis cloud. Perangkat lunak Analytics yang berjalan di komputer cloud mengurangi volume besar data yang dihasilkan menjadi informasi yang dapat ditindaklanjuti oleh pengguna, dan memberikan perintah kepada aktuator di lapangan.

Sensor adalah salah satu faktor kunci keberhasilan IoT, namun sensor bukanlah jenis sensor konvensional yang hanya mengubah variabel fisik menjadi sinyal listrik. Mereka perlu berevolusi menjadi sesuatu yang lebih canggih untuk menjalankan peran yang layak secara teknis dan ekonomi dalam lingkungan IoT.

Artikel ini mengulas ekspektasi IoT terhadap sensornya — apa yang harus dilakukan untuk mencapai karakteristik rangkaian sensor besar pada IoT. Kemudian pembahasan ini membahas bagaimana produsen merespons dengan perbaikan pada fabrikasi, lebih banyak integrasi, dan kecerdasan bawaan, yang berpuncak pada konsep sensor cerdas yang kini digunakan secara luas.

Menjadi jelas bahwa kecerdasan sensor, selain memfasilitasi konektivitas IoT, juga memberikan lebih banyak manfaat terkait pemeliharaan prediktif, manufaktur yang lebih fleksibel, dan peningkatan produktivitas.

Apa yang Diharapkan IoT dari Sensornya?

Sensor secara tradisional merupakan perangkat sederhana yang berfungsi mengubah variabel fisik menjadi sinyal listrik atau perubahan sifat listrik. Meskipun fungsi ini merupakan titik awal yang penting, sensor perlu menambahkan properti berikut agar berfungsi sebagai komponen IoT:

• Biaya rendah, sehingga dapat digunakan secara ekonomis dalam jumlah besar

• Secara fisik kecil, untuk “menghilang” secara diam-diam ke lingkungan mana pun

• Nirkabel, karena koneksi kabel biasanya tidak memungkinkan

• Identifikasi diri dan validasi diri

• Daya sangat rendah, sehingga dapat bertahan bertahun-tahun tanpa mengganti baterai, atau mengelola dengan pemanenan energi

• Kuat, untuk meminimalkan atau menghilangkan pemeliharaan

• Diagnosis diri dan penyembuhan diri

• Mengkalibrasi sendiri, atau menerima perintah kalibrasi melalui tautan nirkabel

• Pra-pemrosesan data, untuk mengurangi beban pada gateway, PLC, dan sumber daya cloud

Informasi dari berbagai sensor dapat digabungkan dan dikorelasikan untuk menyimpulkan kesimpulan tentang masalah laten; misalnya data sensor suhu dan sensor getaran dapat digunakan untuk mendeteksi timbulnya kegagalan mekanis. Dalam beberapa kasus, dua fungsi sensor tersedia dalam satu perangkat; di negara lain, fungsinya digabungkan dalam perangkat lunak untuk menciptakan sensor 'lunak'.

Respon Produsen:Solusi Sensor Cerdas

Bagian ini membahas sensor cerdas yang telah dikembangkan untuk aplikasi IoT baik dari segi komponen penyusun maupun fabrikasinya, lalu meninjau beberapa keuntungan yang diperoleh dari kecerdasan bawaan sensor, terutama kemungkinan untuk diagnosis mandiri dan perbaikan.

Apa yang ada dalam Sensor Cerdas dan Apa Kemampuannya?

Kami telah meninjau ekspektasi IoT terhadap sensor cerdas, namun bagaimana tanggapan industri? Apa saja yang ada dalam sensor pintar modern, dan apa kemampuannya?

Sensor pintar dibuat sebagai komponen IoT yang mengubah variabel dunia nyata yang diukur menjadi aliran data digital untuk dikirim ke gateway. Gambar 1 menunjukkan bagaimana mereka melakukan hal ini. Algoritme aplikasi dilakukan oleh unit mikroprosesor (MPU) bawaan. Ini dapat menjalankan pemfilteran, kompensasi, dan tugas pengkondisian sinyal khusus proses lainnya.

Gambar 1. Blok penyusun sensor pintar. (Gambar:©Premier Farnell Ltd.)

Kecerdasan MPU juga dapat digunakan untuk banyak fungsi lainnya untuk mengurangi beban pada sumber daya IoT yang lebih terpusat; misalnya, data kalibrasi dapat dikirim ke MPU sehingga sensor secara otomatis diatur untuk setiap perubahan produksi. MPU juga dapat melihat parameter produksi apa pun yang mulai menyimpang melampaui norma yang dapat diterima dan menghasilkan peringatan yang sesuai; operator kemudian dapat mengambil tindakan pencegahan sebelum terjadi kegagalan besar.

Jika sesuai, sensor dapat bekerja dalam mode “laporkan dengan pengecualian”, yang mana sensor hanya mengirimkan data jika nilai variabel yang diukur berubah secara signifikan dari nilai sampel sebelumnya. Hal ini mengurangi beban pada sumber daya komputasi pusat dan kebutuhan daya sensor cerdas — biasanya merupakan manfaat penting, karena sensor harus bergantung pada baterai atau pengumpulan energi jika tidak ada daya yang tersambung.

Jika sensor pintar mencakup dua elemen dalam probe, diagnosis mandiri sensor dapat dibangun. Setiap penyimpangan yang terjadi di salah satu keluaran elemen sensor dapat segera dideteksi. Selain itu, jika sensor gagal seluruhnya — misalnya karena arus pendek — proses dapat dilanjutkan dengan elemen pengukuran kedua. Alternatifnya, probe dapat berisi dua sensor yang bekerja sama untuk meningkatkan umpan balik pemantauan.

Sensor Cerdas:Contoh Praktis

Aplikasi yang dikembangkan oleh Texas Instruments memberikan contoh praktis tentang sensor cerdas, dan bagaimana komponen penyusunnya bekerja sama untuk menghasilkan informasi berguna dari pengukuran arus dan suhu analog, serta memberikan kecerdasan untuk fungsi lain yang disebutkan. Aplikasi ini menggunakan varian rangkaian MCU MSP430 berdaya sangat rendah untuk membangun indikator kesalahan cerdas untuk jaringan distribusi tenaga listrik.

Jika dipasang dengan benar, indikator kesalahan mengurangi biaya pengoperasian dan gangguan layanan dengan memberikan informasi tentang bagian jaringan yang gagal. Pada saat yang sama, perangkat ini meningkatkan keselamatan dan mengurangi kerusakan peralatan dengan mengurangi kebutuhan akan prosedur diagnostik kesalahan yang berbahaya. Indikator kesalahan, karena lokasinya, sebagian besar bertenaga baterai, sehingga pengoperasian dengan daya rendah juga sangat diinginkan.

Indikator gangguan — yang dipasang pada sambungan jaringan saluran listrik overhead — mengirimkan data pengukuran tentang suhu dan arus dalam saluran transmisi listrik secara nirkabel ke unit konsentrator/terminal yang dipasang di tiang. Konsentrator menggunakan modem GSM untuk meneruskan data ke jaringan seluler untuk menyampaikan informasi real-time ke stasiun utama. Stasiun utama juga dapat mengontrol dan menjalankan diagnostik pada indikator kesalahan melalui jalur data yang sama.

Koneksi berkelanjutan ke stasiun utama memiliki sejumlah keunggulan. Yang pertama adalah kemampuan untuk memonitor kondisi kesalahan dari jarak jauh daripada mencarinya di lapangan. Indikator kesalahan cerdas juga dapat memantau suhu dan arus secara konstan sehingga pengontrol di stasiun utama memiliki informasi status real-time tentang jaringan distribusi daya. Oleh karena itu, penyedia utilitas listrik dapat dengan cepat mengidentifikasi lokasi gangguan, meminimalkan waktu henti listrik, dan bahkan mengambil tindakan sebelum terjadi kegagalan. Pekerja di stasiun utama dapat menjalankan diagnostik pada indikator kesalahan pada interval yang diperlukan untuk memeriksa apakah indikator tersebut berfungsi dengan benar.

Gambar 2. Diagram blok fungsional indikator kesalahan cerdas berdasarkan MSP430 FRAM MCU. (Gambar:Instrumen Texas)

Gambar 2 adalah diagram blok fungsional dari indikator kesalahan cerdas berdasarkan mikrokontroler feroelektrik random-access memory (FRAM) TI MSP430 (MCU). Transduser arus menghasilkan tegangan analog yang sebanding dengan arus saluran listrik. Penguat operasional (op amp) memperkuat dan menyaring sinyal tegangan ini. Konverter analog-ke-digital (ADC) pada MCU mengambil sampel keluaran op amp. Aliran digital dari ADC kemudian dianalisis oleh perangkat lunak yang berjalan pada CPU atau akselerator. Output op amp juga dihubungkan ke komparator di MCU. Komparator menghasilkan tanda ke unit pemrosesan pusat (CPU) di MCU jika level input melampaui ambang batas yang telah ditentukan.

Kekuatan komputasi MSP430 memungkinkan analisis pengukuran arus domain frekuensi yang memberikan wawasan lebih mendalam mengenai status saluran listrik dibandingkan metode domain waktu sebelumnya. Kecepatan baca dan tulis FRAM yang cepat memungkinkan akumulasi data untuk analisis pola, sementara mode pengoperasian daya ultra-rendah MCU memungkinkan pengoperasian masa pakai baterai yang lebih lama.

Fabrikasi

Untuk mewujudkan potensi penuh dari IoT, metode fabrikasi sensor harus terus mengurangi ukuran, berat, daya, dan biaya (SWaP-C) dari komponen dan sistem sensor. Tren yang sama juga berlaku pada kemasan sensor, yang saat ini menyumbang 80% dari keseluruhan biaya dan faktor bentuk.

Sensor pintar terbentuk ketika elemen sensor sistem mikro-elektromekanis (MEMS) terintegrasi erat dengan sirkuit terintegrasi (IC) CMOS. IC ini menyediakan bias perangkat, penguatan sinyal, dan fungsi pemrosesan sinyal lainnya. Awalnya, teknologi pengemasan vakum tingkat wafer (WLVP) yang digunakan hanya mencakup perangkat sensor diskrit, dan sensor pintar diwujudkan dengan menghubungkan chip MEMS diskrit ke chip IC melalui substrat paket atau papan dalam pendekatan yang disebut integrasi multi-chip. Pendekatan yang lebih baik menghubungkan IC CMOS dan elemen sensor secara langsung, tanpa menggunakan lapisan perutean dalam paket atau papan, dalam konstruksi yang dikenal sebagai system-on-chip (SoC). Jika dibandingkan dengan pendekatan pengemasan multi-chip terpisah, SoC biasanya lebih kompleks namun menghasilkan pengurangan parasit, jejak kaki yang lebih kecil, kepadatan interkoneksi yang lebih tinggi, dan biaya paket yang lebih rendah.

Kelebihan Lain dari Kecerdasan Sensor Cerdas

Sensor fotolistrik pintar dapat mendeteksi pola dalam struktur objek dan perubahan apa pun di dalamnya. Hal ini terjadi secara mandiri di sensor, bukan di elemen komputasi eksternal mana pun. Hal ini meningkatkan throughput pemrosesan dan mengurangi beban pemrosesan pada prosesor pusat — atau PLC lokal.

Fleksibilitas manufaktur ditingkatkan — sebuah keuntungan penting dalam lingkungan kompetitif saat ini. Sensor cerdas dapat diprogram dari jarak jauh dengan parameter yang sesuai setiap kali diperlukan penggantian produk. Produksi, inspeksi, pengemasan, dan pengiriman dapat diatur bahkan untuk ukuran batch satu unit dengan harga produksi massal, sehingga setiap konsumen dapat menerima produk satu kali yang dipersonalisasi.

Umpan balik dari sensor posisi linier biasanya terhambat oleh masalah yang berkaitan dengan kebisingan sistem, redaman sinyal, dan dinamika respons. Setiap sensor memerlukan penyetelan untuk mengatasi permasalahan tersebut. Honeywell menawarkan solusi dengan Sensor Posisi Cerdas SPS-L075-HALS. Ini dapat mengkalibrasi sendiri dengan menggunakan kombinasi ASIC yang dipatenkan dan serangkaian sensor MR (magne-toresistive). Hal ini secara akurat dan andal menentukan posisi magnet yang menempel pada benda bergerak seperti elevator, katup, atau mesin.

Array MR mengukur keluaran sensor MR yang dipasang di sepanjang arah pergerakan magnet. Keluaran dan rangkaian sensor MR menentukan pasangan sensor terdekat dengan pusat lokasi magnet. Keluaran dari pasangan ini kemudian digunakan untuk menentukan posisi magnet di antara keduanya. Teknologi non-kontak ini dapat meningkatkan masa pakai dan daya tahan produk dengan waktu henti yang lebih sedikit. Fitur diagnosis mandiri dapat mengurangi tingkat waktu henti lebih lanjut.

Sensor ini juga memenuhi persyaratan sensor pintar IoT lainnya. Ukurannya yang kecil memungkinkan pemasangan di tempat yang membutuhkan banyak ruang, sementara opsi penyegelan IP67 dan IP69K memungkinkan penerapan di lingkungan yang keras. Mereka cukup pintar untuk mengganti beberapa sensor dan komponen saklar bersama dengan kabel tambahan, komponen eksternal, dan koneksi yang juga diperlukan sebelumnya. Sensor ini digunakan dalam aplikasi luar angkasa, medis, dan industri.

Sensor Cerdas dengan Kemampuan Diagnostik Mandiri dan Perbaikan

Sensor pintar juga cocok untuk aplikasi yang penting bagi keselamatan seperti deteksi gas berbahaya, kebakaran, atau penyusup. Kondisi di lingkungan ini bisa jadi sulit, dan sensor mungkin sulit diakses untuk pemeliharaan atau penggantian baterai, namun keandalan yang tinggi sangatlah penting. Sebuah tim di Lab-STICC Research Center, University of South-Brittany, telah mengembangkan solusi yang meningkatkan keandalan dengan menggunakan probe ganda dan perangkat keras yang dapat mendiagnosis dan memperbaiki dirinya sendiri.

Tujuan akhir dari proyek mereka adalah untuk mengintegrasikan semua elemen yang dijelaskan ke dalam satu perangkat terpisah, cocok untuk aplikasi seperti deteksi gas berbahaya di area seperti pelabuhan atau gudang. Proyek ini berpusat pada sebuah node yang dapat menunjukkan dengan tepat kegagalan internal dan mengambil tindakan perbaikan untuk meningkatkan keandalan dan efisiensi energi. Hal ini mengurangi kerentanan node dan mengurangi biaya pemeliharaan. Desain ini menyadari keterbatasan sensor tersebut:otonomi baterai yang terbatas, pengumpulan energi yang bergantung pada perilaku sumber energi yang tidak dapat diandalkan, sumber daya pemrosesan dan penyimpanan yang terbatas, dan kebutuhan akan komunikasi nirkabel.

Gambar 3. Konfigurasi perangkat keras dari node sensor nirkabel. (Gambar:©Premier Farnell Ltd.)

Node ini dilengkapi dengan dua sensor; selama pengoperasian normal, yang pertama menangkap data lingkungan sedangkan yang kedua hanya diaktifkan oleh pengguna untuk memverifikasi data yang diperoleh. Jika sensor pertama gagal, keandalan node akan menurun, sementara daya baterai terbuang untuk menyuplai sensor yang tidak berfungsi. Namun, jika node memutuskan sambungan sensor pertama dan beralih ke sensor kedua, tidak ada energi yang terbuang dan keandalan node tetap terjaga.

Oleh karena itu, tujuan proyek ini adalah untuk mengembangkan diagnosis mandiri baru berdasarkan pengujian fungsional dan fisik untuk mendeteksi kegagalan perangkat keras di setiap komponen node sensor nirkabel. Metode ini dapat mengidentifikasi dengan tepat komponen node mana yang gagal dan menunjukkan tindakan perbaikan yang sesuai.

Gambar 3 menunjukkan konfigurasi perangkat keras dari node sensor yang dapat dikonfigurasi ulang sendiri. Komponennya meliputi prosesor, memori RAM/FLASH, Antarmuka untuk Aktuator dan Sensor (IAS) untuk berinteraksi dengan lingkungan, Modul Transceiver Radio (RTM) untuk mengirim dan menerima data, dan baterai dengan sakelar daya (konverter DC-DC). Node ini juga mencakup Manajer Daya dan Ketersediaan (PAM) yang dikombinasikan dengan zona yang dapat dikonfigurasi FPGA. Yang pertama dianggap sebagai bagian cerdas untuk penggunaan energi terbaik, diagnosis otomatis, dan toleransi kesalahan, sementara yang lain meningkatkan ketersediaan node sensor.

Gambar 4. Masalah dan tindakan perbaikan untuk node sensor diagnostik mandiri. (Gambar:©Premier Farnell Ltd.)

Tabel pada Gambar 4 menunjukkan bagaimana node sensor dapat merespons berbagai masalah node. FPGA berisi CPU softcore 8051 yang diaktifkan ketika diperlukan peningkatan kinerja atau untuk mengganti prosesor utama jika gagal. FPGA adalah tipe Actel IGL00V2, dipilih karena keandalannya dan konsumsi daya yang rendah. Node yang tersisa terdiri dari prosesor PIC, memori RAM, modul transceiver radio Miwi, dua detektor gas Oldham OLCT 80, sakelar daya LM3100 dan MAX618, dan baterai.

Kesimpulan

Dalam artikel ini, kita telah melihat bagaimana produsen chip dan peneliti merespons kebutuhan IoT akan sensor pintar. Hal ini sebagian disebabkan oleh penambahan kemampuan intelijen dan komunikasi pada fungsi dasar transduser, namun juga melibatkan peningkatan fabrikasi. Dengan mengintegrasikan elemen sensor MEMS dan komponen komputasi CMOS ke dalam satu substrat, sensor pintar dapat diimplementasikan dalam paket kecil dan berbiaya rendah yang dapat tertanam dalam aplikasi dengan ruang terbatas dan memiliki ketahanan terhadap kondisi lingkungannya.

Oleh karena itu, perancang IoT dapat menyediakan sensor yang mereka perlukan – berukuran kecil, murah, tangguh, dan berdaya rendah untuk diterapkan di mana-mana, sekaligus memiliki kecerdasan untuk menyampaikan informasi berguna serta data mentah. Mereka juga memfasilitasi otomatisasi yang lebih fleksibel dan terperinci, karena mereka dapat menerima perintah masuk untuk kalibrasi ulang guna mengakomodasi perubahan produksi.

Artikel ini disumbangkan oleh Newark elemen 14, Chicago, IL. Untuk informasi lebih lanjut, Klik Disini  .