Viime vuosikymmeninä tietokoneiden, ohjelmistojen ja tietotekniikan maailmassa on tapahtunut dramaattisia muutoksia. Insinöörinä on kiehtovaa olla osa aikakautta, joka ylpeilee valtavilla määrillä laskentatehoa. Suosituimpia ovat henkilökohtaiset tietokoneet, kannettavat tietokoneet, kädessä pidettävät laitteet, kuten älypuhelimet ja älykellot.

On tullut mahdottomaksi kuvitella ja elää elämää ilman tietoteknisen suorituskyvyn apua. Ja parasta on se, että me vasta hivelemme pintaa siitä valtavasta tietotekniikkapotentiaalista, joka piilee tällaisissa näennäisen älykkäissä koneissa.

Kun Internet-of-Things (tai IoT) on vienyt tietotekniikan uudelle tasolle ja määrittänyt uudelleen sanan “älykäs” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), on reilua todeta, että jännitys on vasta alkanut.

Tässä artikkelissa pyritään vastaamaan kysymykseen “miten sensori aistii?” ja keskitytään sensorin toiminnan fysiikkaan.

Mitä on Internet-of-Things (IoT)?

Insinööreillä ja tiedemiehillä on tapana nomenklatioida (valita nimi jollekin asialle) niin, että vastikään keksitty termi on itsestään selvä. Termi IoT ei ole erilainen.

Kuten nimestä voi päätellä, IoT on sateenvarjo, joka kattaa kaikenlaiset laitteet. Ne on joko upotettu järjestelmään tai ne ovat olemassa yksittäisinä kokonaisuuksina. Kummassakin tapauksessa keskeistä on, että ne kommunikoivat (tai puhuvat) keskenään internetin välityksellä. Jokaisessa tällaisessa laitteessa on sulautettu lähetin ja vastaanotin, jotka toteuttavat viestintäprosessin internetin avulla.

Kaikki IoT-järjestelmät eivät kuitenkaan ole samanlaisia eivätkä välttämättä sovellu kaikkiin sovelluksiin. Itse asiassa ne muistuttavat meitä ihmisiä. Jokainen yksilö on loistava jossakin. Et voi odottaa näyttelijän lentävän lentokonetta ja lentäjän näyttelevän elokuvassa. Samoin et voi odottaa, että yksi IoT-järjestelmä (ja -laite) tekee kaiken. Siksi insinöörit suunnittelevat eri järjestelmiä suorittamaan eri tehtäviä parhaan mahdollisen tuloksen aikaansaamiseksi.

Nykyaikaisessa liiketoiminnassa asiakas on kuningas, ja tämä pätee kaikilla toimialoilla. Näin ollen järjestelmäsuunnittelijat suunnittelevat, tuottavat ja toimittavat IoT-järjestelmiä aina saumattoman käyttäjäkokemuksen tarjoamiseksi. IoT-laitteistojen tuotekehitys: How-To by Vera Kozyr, toistaa ajan ja ponnistelut, joita kaikki sidosryhmät panostavat päästä päähän – plug-and-play -tyylisen järjestelmän luomiseen laitteistotuotteen näkökulmasta.

Ennen IoT-laitteen sisuskalujen tutkimista on tärkeää erottaa toisistaan laite ja järjestelmä.

Laite on kuin yksittäinen jäsen, kun taas järjestelmä on kuin tiimi, jossa yksilö on mukana. Laite on siis osa järjestelmää, kun taas päinvastoin ei päde.

IoT-järjestelmän komponentit

Jokainen järjestelmä koostuu useista yksittäisistä komponenteista (ja osakomponenteista), jotka yhdessä työskentelevät yhteisen tavoitteen saavuttamiseksi. Lisäksi järjestelmän (tiimin) osana oleminen takaa suuremman tuottavuuden ja saavuttaa parempia tuloksia. IoT-järjestelmän pääkomponentit ovat:

• Anturit fyysisten suureiden havaitsemiseksi
• Paikan päällä oleva keskitetty mikrokontrolleri, joka ohjaa kaikkia antureiden ja muiden komponenttien suorittamia toimia
• Pilvi, Data-analyysi ja -käsittely vastaanotettujen tietojen analysoimiseksi ja käsittelemiseksi
• Lähetin ja vastaanotin eri antureiden, antureiden ja mikrokontrollerin sekä keskitetyn pilvipalvelimen välisen tiedonsiirron aikaansaamiseksi internetin välityksellä
• Käyttäjäliitäntä, jonka avulla voidaan kommunikoida käyttäjän

IoT-antureiden

kanssa ja suorittaa niiden ohjeistamia tehtäviä: Silta reaalimaailmaan

Hyvä esimerkki IoT-järjestelmästä on älypuhelin, joka yleensä koostuu:

• Globaalinen paikannusjärjestelmä (GPS) -moduuli sijainnin määrittämiseksi
• Lämpötila-anturi ympäristön lämpötilan havaitsemiseksi
• Mikrofoni käyttäjän äänen havaitsemiseksi ja,
• Läheisyysanturi käyttäjän etäisyyden havaitsemiseksi puhelimesta ja lukitsemiseksi puhelimen lukitsemiseen puhelun aikana.

Älypuhelimen eri sovellukset käyttävät eri antureita. Esimerkiksi Google Mapsissa on käyttöliittymä (sovellus), joka on vuorovaikutuksessa GPS-moduulin kanssa ja kerää sijaintikoordinaatteja. Se käsittelee tiedot internet-yhteyden kautta auttaakseen käyttäjää reitittämään määränpäähänsä.

Batterinhallintajärjestelmä (BMS) on toinen esimerkki IoT-järjestelmästä, joka käyttää useita antureita. BMS on elektroninen järjestelmä, joka suojaa ja hallinnoi akun toimintaa. Lyhyesti sanottuna se on akun henkilökohtainen talonmies. Olen selittänyt älypuhelimen BMS:n toimintaa artikkelissani – Battery Management System in Smartphones – osoitteessa energyio.tech.

Sensori toimii ikään kuin porttina tietojenkäsittelymaailman ja reaalimaailman välillä. Näin ollen anturin on muunnettava se, mitä se havaitsee reaalimaailmassa, erityiseksi joksikin, jota laskentakone ymmärtää.

Onneksi näiden kahden maailman yhteinen linkki on sähköenergia!

Siten saavumme anturin tekniseen määritelmään – IoT-järjestelmän anturi havaitsee halutun fyysisen suureen ja muuntaa sen sähköiseksi signaaliksi, joka lähetetään keskitetylle, pilvipohjaiselle palvelimelle joko suoraan tai paikan päällä sijaitsevan mikrokontrollerin kautta.

IoT-anturi on, noh, IoT-järjestelmässä käytetty anturi.

Mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) ja IoT-antureiden anturimekanismi

Mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) on mikrosysteemiteknologia (MST, microsystems technology), joka koostuu pienistä komponenteista, jotka on valmistettu puolijohdemateriaalista, kuten piistä, ja jotka ovat kooltaan mikrometrin luokkaa.

Jos ei kaikki, niin useimmat mekaanista energiaa havaitsevat anturit käyttävät tavalla tai toisella MEMS-tekniikkaa. Kiihtyvyysanturi on erittäin suosittu esimerkki. Tämä johtuu ensisijaisesti tietokoneiden nopeasta kasvusta ja laajasta riippuvuudesta niistä.

Koska MEMS-teknologian valmistusmateriaali on puolijohde, sen ensisijainen etu on, että se voidaan upottaa integroituun piiriin (IC). IC sisältää muita laskentakomponentteja (jotka myös koostuvat puolijohdemateriaalista), jotka toimivat antureilta saatujen tietojen perusteella.

Pieni koko ja siruintegraatio alentavat kustannuksia dramaattisesti. Voit kirjaimellisesti ostaa MEMS-pohjaisen kiihtyvyysanturin alle ₹250 (3,34 dollaria). Lisäksi MEMS-pohjaiset anturit ylpeilevät suurella herkkyydellä ja havaitsevat pienimmätkin muutokset, joita edeltäjillä oli mahdoton kuvitella.

Tyyppiset anturimekanismit ja toimintaperiaate

Sovelluksesta riippuen järjestelmä voi koostua yhdestä tai useammasta anturista, jotka aistivat eri fysikaalisen suureen, jolloin sillä on yksilöllinen anturimekanismi. Kaksi suosituinta MEMS-teknologian anturimekanismia, jotka muuttavat fysikaalisen muutoksen sähköiseksi signaaliksi, ovat:

1. resistiivinen anturi
2. kapasitiivinen anturi

Kummankin tyypin anturimekanismi käyttää yksinkertaista periaatetta – mikä tahansa fysikaalisessa suureessa tapahtuva muutos otetaan talteen anturissa käytetyn materiaalin sähköisen resistanssin tai kapasitanssin muutoksella. Näin ollen suurempi muutos fysikaalisessa suureessa osoittaa suuremman muutoksen materiaalin resistanssissa tai kapasitanssissa ja päinvastoin.

Kahden tyypin suurin ero on näiden kahden mekanismin toiminnassa. Vastukseen perustuva anturijärjestelmä käyttää, no, vastusta, kun taas kapasitiiviseen perustuva anturijärjestelmä käyttää kondensaattoria.

Ei hätää, jos et ole kuullut vastuksesta ja kondensaattorista ennen tätä artikkelia. Voit lukea niiden välisen eron. Ajattele näitä kahta komponenttia kahtena ihmisenä, joilla on omat ainutlaatuiset piirteensä.

Resistiiviseen perustuva anturimekanismi (MEMS-teknologiaa käyttäen)

Olemme käyttäneet resistiivisiä vastuksia erilaisten fysikaalisten suureiden mittaamiseen, analysointiin, hallintaan ja havainnointiin yli vuosisadan ajan. Kuten aiemmin mainittiin, aina kun fysikaalinen suure (kuten paine) muuttuu, sähkövastuksen muutoksen määrä määrittää, kuinka paljon suure on muuttunut.

Sähkövastuksen muutosta säätelevät fysiikan periaatteet, kuten valojohde-efekti, puolijohteiden termoresistiivinen efekti ja pietsoresistiivinen efekti.

1. Tunnistaminen fysikaalisen geometrian muutosten avulla – Materiaalin sähkövastus riippuu materiaalin geometriasta, pituudesta ja poikkipinta-alasta. Mikä tahansa muutos pituudessa ja/tai poikkipinta-alassa vaikuttaa suoraan materiaalin resistanssiin.
2. Piezoresistiivinen vaikutus – Piezoresistiivinen materiaali on erikoismateriaali, jonka sähköinen resistanssi muuttuu, kun materiaaliin kohdistuu mekaaninen muodonmuutos, kuten työntö, veto tai puristus. Näin ollen painetta, tärinää ja kiihtyvyyttä mittaavissa IoT-antureissa käytetään yleisesti pietsoresistiivisiä materiaaleja.

Muut IoT-antureissa käytetyt resistiiviset anturimekanismit

Vaikka MEMS-pohjaiset IoT-anturit ovatkin erittäin tehokkaita mekaanisten, fysikaalisten suureiden mittaamisessa, resistiivisten antureiden toiminta ei-mekaanisten suureiden, kuten valon ja lämpötilan, havaitsemisessa ei ole samanlaista. Näin ollen anturimekanismi muuttuu.

1. Valoanturi – Valon havaitsemiseksi tarvitaan erityistä valolle herkkää materiaalia. Kasvit havaitsevat valon erityisten molekyylien avulla, joita kutsutaan fotoreseptoreiksi. Vastaavasti mikä tahansa valoa tunnistava anturi käyttää fotoresistoria – materiaalia, jonka sähköinen vastus pienenee valon voimakkuuden kasvaessa. Valosta riippuvainen vastus tai yleisesti tunnettu LDR on hyvin suosittu IoT-anturi, jota käytetään valon havaitsemiseen.
2. Lämpötilan havaitseminen – Samoin kuin valon havaitseminen, myös lämpötilan havaitseminen edellyttää materiaaleja, jotka reagoivat ympäristön lämpötilan muutoksiin. Useimmat lämpötila-anturit koostuvat termistorista – materiaalista, jonka sähkövastus pienenee lämpötilan kasvaessa. Esimerkiksi yksi nykyaikaisten litiumioniakkujen ylilatauksen estämiseen käytettävistä parametreista on akun lämpötilan havaitseminen termistorien avulla.
3. Kemialliset anturit – Näitä antureita käytetään tietyn kemikaalin havaitsemiseen. Anturi sisältää anturikerroksen, joka koostuu materiaalista, jonka resistanssi muuttuu aina, kun se reagoi kemikaalin kanssa. Esimerkiksi monet IoT-järjestelmät käyttävät MQ-sarjan (MQ9, MQ2, MQ7 jne.) kaasuanturia. Se havaitsee erityyppisten kaasujen, kuten hiilimonoksidin, nestekaasun ja metaanin, läsnäolon.

Muuntaminen sähköisiksi signaaleiksi

Väittämättä toiseksi suosituin tieteellinen yhtälö, Ohmin laki (V = IR), asettaa suoran yhteyden sähkövirran, jännitteen ja resistanssin välillä. Tämän lain kauneus on siinä, että mikä tahansa pieni muutos resistanssissa voidaan muuntaa sähköiseksi signaaliksi (jännitteeksi tai virraksi) hetkessä.

Jokainen resistiiviseen anturiin pohjautuva IoT-anturi (MEMS-teknologia mukaan luettuna) käyttää siis suoraan tai epäsuorasti Ohmin lakia.

Kapasitiivisuuteen perustuva anturimekanismi IoT-antureissa

Kapasitiivisuuteen perustuva anturimekanismi vangitsee fysikaalisen suureen muutoksen muuttamalla materiaalin kapasitanssia ja riippuu resistanssin tavoin materiaalin fysikaalisesta geometriasta.

Mutta lähes kaikki kapasitiiviseen perustuva anturijärjestelmä perustuu pääasiassa fyysisen geometrian muutoksiin – pinta-alaan, etäisyyteen ja materiaalin kapasitiiviseen kykyyn, jota kuvataan varauksen määrällä, jonka se voi varastoida.

Kosketusanturi on yksi tavallisimmista kapasitiiviseen perustuvista antureista IoT-järjestelmässä. Älypuhelimessa käytetään kosketusnäyttöä, joka koostuu lukuisista kosketusantureista. Pohjimmiltaan kyseessä on paineanturi, joka havaitsee fyysisen kosketuksen aiheuttaman paineen/voiman.

Kun näyttöä stimuloidaan fyysisellä kosketuksella, aiheutuva paine muuttaa pinta-alaa tai/ja etäisyyttä, mikä saa aikaan muutoksen näytön alla olevan kapasitanssin arvossa.

Tämä kapasitanssin muutos toimii kuin sähköinen kytkin, joka ohjaa sähköistä signaalia seuraavaan vaiheeseen. Kuva 3 havainnollistaa kosketusanturin toimintaa.

Kapasitiivisiin perustuvilla järjestelmillä on Ohmin lakia käyttävien resistiivisiin perustuvien anturijärjestelmien tavoin oma ainutlaatuinen suhteensa, joka kuvaa sähköisen kapasitanssin muutoksen jännitteeseen ja virtaan. Valitettavasti matemaattinen yhtälö ei kuulu tämän artikkelin piiriin.

Kapasitiivinen vs. resistiivinen anturointi

Resistiivisessä anturoinnissa jotkin fysikaaliset suureet, kuten valo ja lämpötila, vaativat erityyppistä materiaalia. Tämä on siunaus ja haitta! Toisaalta resistanssin vaihtelu on ainutlaatuista mitattavalle suureelle. Toisaalta tämä ainutlaatuisuus edellyttää täysin erilaista mittaus-/anturimenettelyä.

Sen sijaan useimmat kapasitiivisiin antureihin perustuvat anturijärjestelmät säilyttävät yhdenmukaisen anturimenettelyn, koska muutos johtuu pääasiassa fyysisen geometrian vaihteluista. Lisäksi ne ovat suhteellisen uusia verrattuna resistiiviseen vastineeseensa, ja ne rajoittuvat tällä hetkellä mekaanisten järjestelmien anturointiin MEMS-tekniikan avulla.

Johtopäätös

Toivon, että pystyin selittämään joidenkin IoT-järjestelmissä yleisesti käytettyjen antureiden toimintaa. Lisäksi anturisuunnittelun valmistus on vain yksi osa IoT:tä. Järjestelmän on käsiteltävä vastaanotetut tiedot tehokkaasti ja tarjottava sovelluskeskeisiä tuloksia täyttämällä käyttäjän tarpeet.

Tässä vaiheessa IoT-anturit ovat tunkeutuneet valmistusteollisuuteen ja automatisoineet suurimman osan manuaalisista toiminnoista, mikä on johtanut täysin uuteen haaraan, jota kutsutaan nimellä teollinen IoT (The Industrial IoT, IIOT).

Toisin kuin henkilökohtaiset tietokoneet ja älypuhelimet, IoT-teknologia ei ole vielä saanut aikaan dramaattista muutosta elämässämme. Siihen asti koko IoT-ekosysteemin on jatkettava kehittymistään.

W. Y. Du, S. W. Yelich, “Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies”, Sensors and Transducers Journal, huhtikuu, 2008

P&S Technologies, “P&S OPC271 Opto-Potentiometer”, TNT Audio, kesäkuu, 2009

Wikimedia Common Contributors, “Photoresistor 2.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, November, 2018

“NTC Thermistor.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, September 2019

Wikimedia Common Contributors, “R against T for a thermistor.png”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, July 2020

Wikimedia Common Contributors, “PeizoAccelThoery.gif,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, heinäkuu 2008

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

D. Fischer, “Capacitive Touch Sensors,” Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, Jan 2021