Az elmúlt évtizedekben drámai változások történtek a számítógépek, a szoftverek és a számítástechnika világában. Mérnökként lenyűgöző egy olyan korszak részese lenni, amely óriási számítási teljesítménnyel büszkélkedhet. A legnépszerűbbek a személyi számítógépek, a laptopok, az olyan kézi eszközök, mint az okostelefonok és az okosórák.

Már lehetetlenné vált elképzelni és élni az életet a számítástechnikai képességek segítsége nélkül. És a legjobb az egészben az, hogy még csak a felszínét súroljuk az ilyen látszólag intelligens gépekben szunnyadó hatalmas számítástechnikai potenciálnak.

Az Internet-of-Things (vagy IoT) megjelenésével, amely új szintre emelte a számítástechnikát, és újraértelmezte az “okos” szót (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), joggal állíthatjuk, hogy az izgalom csak most kezdődik.

Ez a cikk arra a kérdésre keresi a választ, hogy “hogyan érzékel egy érzékelő?”, és az érzékelő működésének fizikájára összpontosít.

Mi az Internet-of-Things (IoT)?

A mérnökök és tudósok hajlamosak a nomenklatúrára (valaminek nevet választanak), hogy az újonnan kitalált kifejezés magától értetődő legyen. Az IoT kifejezés sem különbözik ettől.

Amint a neve is sugallja, az IoT egy minden eszköztípust magába foglaló ernyő. Ezek vagy egy rendszerbe vannak beágyazva, vagy önálló egységként léteznek. Bárhogy is legyen, a lényeg az, hogy az interneten keresztül kommunikálnak (vagy beszélnek) egymással. Minden ilyen eszköz rendelkezik egy beágyazott adóval és vevővel, amely a kommunikációs folyamatot az internet segítségével valósítja meg.

Minden IoT-rendszer azonban nem egyforma, és nem feltétlenül alkalmas minden alkalmazásra. Ami azt illeti, hasonlítanak hozzánk, emberekhez. Minden egyén nagyszerű valamiben. Nem várhatjuk el egy színésztől, hogy repülőgépet vezessen, és egy pilótától, hogy filmben szerepeljen. Hasonlóképpen nem várhatja el egyetlen IoT-rendszertől (és eszköztől), hogy mindenre képes legyen. Ezért a mérnökök különböző rendszereket terveznek különböző feladatok elvégzésére, hogy a lehető legjobb eredményt érjék el.

A modern üzleti életben az ügyfél a király, és ez minden iparágra igaz. Ezért a rendszertervezők mindig úgy tervezik, gyártják és szállítják az IoT-rendszereket, hogy zökkenőmentes felhasználói élményt nyújtsanak. IoT hardver termékfejlesztés: How-To by Vera Kozyr, megismétli az összes érdekelt fél által befektetett időt és erőfeszítést egy végponttól végpontig tartó, plug-and-play stílusú rendszer létrehozására egy hardvertermék szemszögéből.

Az IoT-eszköz belsejének feltárása előtt fontos különbséget tenni az eszköz és a rendszer között.

Az eszköz olyan, mint egy egyéni tag, míg a rendszer olyan, mint egy csapat, amelyben az egyén szerepel. Így az eszköz a rendszer része, míg fordítva nem igaz.

Az IoT-rendszer összetevői

Minden rendszer több egyedi összetevőből (és alkomponensből) áll, amelyek együttesen egy közös cél elérése érdekében működnek. Sőt, egy rendszer (csapat) részeként nagyobb termelékenységet biztosít és jobb eredményeket ér el. Egy IoT-rendszer fő összetevői a következők:

• Az érzékelők a fizikai mennyiségek érzékelésére
• Helyszíni központi mikrokontroller, amely az érzékelők és más komponensek által végzett összes műveletet vezérli
• Felhő, Adatelemzés és -feldolgozás a kapott adatok elemzésére és feldolgozására
• Adó és vevő a különböző érzékelők, szenzorok és mikrokontroller, valamint a központi felhőszerver közötti kommunikáció létrehozására az interneten keresztül
• Felhasználói felület a felhasználó által utasított feladatok kommunikációjára és végrehajtására

IoT érzékelők:

Egy jó példa egy IoT-rendszerre egy okostelefon, amely általában a következőkből áll:

• A globális helymeghatározó rendszer (GPS) modul a helymeghatározáshoz
• Egy hőmérsékletérzékelő a környezeti hőmérséklet érzékeléséhez
• Egy mikrofon a felhasználó hangjának érzékeléséhez és,
• Egy közelségérzékelő a felhasználónak a telefontól való távolságának érzékeléséhez és annak rögzítéséhez hívás közben.

Az okostelefon különböző alkalmazásai különböző érzékelőket használnak. A Google Maps például rendelkezik egy felhasználói felülettel (alkalmazással) a GPS-modullal való interakcióra és a helykoordináták gyűjtésére. Az internetkapcsolaton keresztül feldolgozza az adatokat, hogy segítsen a felhasználónak eljutni az úti céljához.

Az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) egy másik példa a több érzékelőt használó IoT-rendszerre. A BMS egy olyan elektronikus rendszer, amely védi és kezeli az akkumulátor működését. Röviden, ez az akkumulátor személyes gondozója. Egy okostelefon BMS működését az energyio.tech.

Az energyio.tech.

Az érzékelő úgy működik, mint egy átjáró a számítástechnikai világ és a való világ között. Következésképpen az érzékelőnek át kell alakítania azt, amit a való világban érzékel, egy speciális valamivé, amit egy számítástechnikai gép megért.

Hála Istennek, a két világ közötti közös kapocs az elektromos energia!

Ezzel elérkeztünk az érzékelő technikai meghatározásához – egy IoT-rendszerben az érzékelő érzékeli a kívánt fizikai mennyiséget, és átalakítja azt egy elektromos jellé, amelyet közvetlenül vagy egy helyszíni mikrokontrolleren keresztül a központi felhőalapú szerverre továbbít.

Az IoT-érzékelő, nos, egy IoT-rendszerben használt érzékelő.

Mikro-elektromechanikus rendszerek (MEMS) és az IoT-érzékelők érzékelési mechanizmusa

A mikro-elektromechanikus rendszerek (vagy MEMS) egy mikrorendszertechnológia (MST), amely olyan apró alkatrészekből áll, amelyek félvezető anyagból, például szilíciumból készülnek, és méretük a mikrométeres tartományban van.

Ha nem is minden, de a legtöbb mechanikai energiát érzékelő érzékelő így vagy úgy MEMS technológiát használ. A gyorsulásmérő rendkívül népszerű példa erre. Ez elsősorban a számítógépek gyors növekedésének és hatalmas függőségének köszönhető.

Mivel a MEMS technológia gyártási anyaga félvezető, elsődleges előnye, hogy integrált áramkörbe (IC) ágyazható. Az IC más (szintén félvezető anyagból készült) számítástechnikai komponenseket tartalmaz, amelyek az érzékelőktől kapott adatokra hatnak.

A kis méret és a chip-integráció valójában drámaian csökkenti a költségeket. Szó szerint kevesebb, mint ₹250 (3,34 $)ért lehet vásárolni egy MEMS-alapú gyorsulásmérőt. Emellett a MEMS-alapú érzékelők nagy érzékenységgel büszkélkedhetnek, és olyan apró változásokat érzékelnek, amelyek az elődökkel elképzelhetetlenek voltak.

Az érzékelési mechanizmusok típusai és működési elve

Az alkalmazástól függően egy rendszer tartalmazhat egy vagy több érzékelőt, amelyek különböző fizikai mennyiséget érzékelnek, ezáltal egyedi érzékelési mechanizmussal rendelkeznek. A MEMS-technológiában a két legnépszerűbb érzékelési mechanizmus, amelyek a fizikai változást elektromos jellé alakítják át:

1. rezisztív alapú érzékelés
2. kapacitív alapú érzékelés

Az érzékelési mechanizmus mindkét típusban egy egyszerű elvet használ – a fizikai mennyiség bármilyen változását az érzékelőben használt anyag elektromos ellenállásának vagy kapacitásának változása rögzíti. Így a fizikai mennyiség nagyobb változása az anyag ellenállásának vagy kapacitásának nagyobb változását mutatja, és fordítva.

A két típus közötti fő különbség a két mechanizmus működésében rejlik. Az ellenállás alapú érzékelő rendszer, nos, egy ellenállást, míg a kapacitív alapú érzékelő rendszer egy kondenzátort használ.

Ne aggódjon, ha még nem hallott az ellenállásról és a kondenzátorról e cikk előtt. Elolvashatja a köztük lévő különbséget. Gondoljon a két komponensre úgy, mint két emberre, akiknek saját, egyedi tulajdonságaik vannak.

Rezisztív alapú érzékelési mechanizmus (MEMS technológiával)

Több mint egy évszázada használunk ellenállásokat különböző fizikai mennyiségek mérésére, elemzésére, szabályozására és megfigyelésére. Mint korábban említettük, amikor egy fizikai mennyiség (például a nyomás) megváltozik, az elektromos ellenállás változásának mértéke határozza meg, hogy a mennyiség mennyire változott.

Az elektromos ellenállás változását olyan fizikai elvek szabályozzák, mint a fotovezető hatás, a félvezetők termorezisztív hatása és a piezorezisztív hatás.

1. Érzékelés a fizikai geometria változásán keresztül – Egy anyag elektromos ellenállása az anyag geometriájától, hosszától és keresztmetszeti területétől függ. A hossz és/vagy a keresztmetszeti terület bármilyen változása közvetlenül befolyásolja az anyag ellenállását.
2. Piezorezisztív hatás – A piezorezisztív anyag olyan speciális anyag, amelynek elektromos ellenállása megváltozik, amikor az anyag mechanikai deformációt, például nyomást, húzást vagy összenyomást tapasztal. Ezért a nyomást, rezgést és gyorsulást mérő IoT-érzékelők általában piezorezisztív anyagokat használnak.

Az IoT-érzékelőkben használt egyéb ellenállás-alapú érzékelési mechanizmusok

Noha a MEMS-alapú IoT-érzékelők rendkívül hatékonyak a mechanikai, fizikai mennyiségek esetében, az ellenállás-érzékelők működése a nem mechanikai mennyiségek, például a fény és a hőmérséklet érzékelésében nem azonos. Így az érzékelési mechanizmus megváltozik.

1. Fényérzékelés – A fény érzékeléséhez speciális fényérzékeny anyagra van szükség. A növények a fényt speciális molekulák, úgynevezett fotoreceptorok segítségével érzékelik. Hasonlóképpen, bármely fényérzékelő érzékelő fotorezisztort használ – olyan anyagot, amelynek elektromos ellenállása a fény intenzitásának növekedésével csökken. A fényfüggő ellenállás vagy közismert nevén LDR egy nagyon népszerű IoT-érzékelő, amelyet a fény érzékelésére használnak.
2. Hőmérsékletérzékelés – A fényérzékeléshez hasonlóan a hőmérsékletérzékelés is olyan anyagokat igényel, amelyek fogékonyak a környezeti hőmérséklet változásaira. A legtöbb hőmérséklet-érzékelő egy termisztorból áll – egy olyan anyagból, amelynek elektromos ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken. Például a modern lítium-ion akkumulátorok túltöltésének megakadályozására használt egyik paraméter a termisztorok segítségével érzékeli az akkumulátor hőmérsékletét.
3. Kémiai érzékelők – Ezek az érzékelők egy adott vegyi anyag érzékelésére szolgálnak. Az érzékelő egy olyan anyagból álló érzékelő réteget tartalmaz, amelynek ellenállása megváltozik, amikor a vegyszerrel reagál. Például sok IoT rendszer használja az MQ sorozatú (MQ9, MQ2, MQ7 stb.) gázérzékelőt. Ez érzékeli a különböző típusú gázok, például szén-monoxid, LPG és metán jelenlétét.

Átalakítás elektromos jelekké

Vitathatatlanul a második legnépszerűbb tudományos egyenlet, Ohm törvénye (V = IR) közvetlen kapcsolatot állít fel az elektromos áram, a feszültség és az ellenállás között. Ennek a törvénynek az a szépsége, hogy az ellenállás bármilyen kis változása pillanatok alatt elektromos jellé (feszültséggé vagy árammá) alakítható.

Ezért minden ellenállás alapú IoT-érzékelő (beleértve a MEMS technológiát is) közvetlenül vagy közvetve Ohm törvényét használja.

Kapacitív alapú érzékelési mechanizmus az IoT-érzékelőkben

A kapacitív alapú érzékelési mechanizmus a fizikai mennyiség változását az anyag kapacitásának megváltoztatásával ragadja meg, és az ellenálláshoz hasonlóan az anyag fizikai geometriájától függ.

Majdnem minden kapacitív alapú érzékelőrendszer azonban túlnyomórészt a fizikai geometria – terület, távolság – változásaira és az anyag kapacitív képességére támaszkodik, amelyet az általa tárolható töltés mennyisége ír le.

Az érintésérzékelő az egyik leggyakoribb kapacitív alapú érzékelő egy IoT-rendszerben. Egy okostelefon számos érintésérzékelőből álló érintőképernyőt használ. Lényegében ez egy nyomásérzékelő, amely érzékeli a fizikai érintésből származó nyomást/erőt.

Amikor a képernyőt fizikai érintés stimulálja, a kifejtett nyomás megváltoztatja a területet és/vagy a távolságot, ami a képernyő alatti kapacitás értékének változását váltja ki.

A kapacitásban bekövetkező változás úgy működik, mint egy elektromos kapcsoló, amely elektromos jelet vezet a következő fokozatba. A 3. ábra szemlélteti az érintésérzékelő működését.

Az Ohm-törvényt használó, ellenállás alapú érzékelő rendszerekhez hasonlóan a kapacitív alapú rendszereknek saját egyedi összefüggésük van, amely az elektromos kapacitás változását feszültségre és áramra képezi le. A matematikai egyenlet sajnos meghaladja e cikk kereteit.

Kapacitív vs. ellenállásos érzékelés

Az ellenállásos érzékelésben egyes fizikai mennyiségek, például a fény és a hőmérséklet, speciális anyagtípust igényelnek. Ez egyszerre áldás és csapás! Az egyik oldalon az ellenállás változása egyedi a mért mennyiséghez. Másrészt azonban ez az egyediség teljesen más mérési/érzékelési eljárást igényel.

Ehelyett a legtöbb kapacitív alapú érzékelőrendszer egységes érzékelési eljárást tart fenn, mivel a változás elsősorban a fizikai geometria változásaiból adódik. Ráadásul ezek viszonylag újak az ellenállásos társaikhoz képest, és jelenleg a MEMS-technológiát használó mechanikus rendszerek érzékelésére korlátozódnak.

Következtetés

Remélem, sikerült elmagyaráznom néhány, a tárgyak internete rendszerekben általánosan használt érzékelő működését. Ráadásul az érzékelők tervezésének gyártása csak egy része az IoT-nek. A rendszernek hatékonyan kell feldolgoznia a kapott adatokat, és a felhasználói igények kielégítésével alkalmazásközpontú eredményeket kell nyújtania.

A mai napig az IoT-érzékelők behatoltak a feldolgozóiparba, és automatizálták a legtöbb kézi műveletet, ami egy teljesen új, ipari IoT (IIOT) nevű ághoz vezetett.

A személyi számítógépekkel és okostelefonokkal ellentétben az IoT-technológia még nem kényszerített ki drámai átalakulást az életünkben. Addig is az egész IoT ökoszisztémának tovább kell fejlődnie.

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

P&S Technologies, “P&S OPC271 Opto-Potentiometer”, TNT Audio, June, 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, July 2008

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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