Gli ultimi decenni hanno sperimentato cambiamenti drammatici nel mondo dei computer, del software e della tecnologia informatica. Come ingegnere, è affascinante essere parte di un’era che vanta enormi quantità di potenza di calcolo. I più popolari sono i personal computer, i computer portatili, i dispositivi portatili come gli smartphone e gli smartwatch.

È diventato impossibile immaginare e condurre una vita senza l’assistenza delle prodezze informatiche. E la parte migliore è che stiamo ancora sfiorando la superficie del vasto potenziale informatico che giace dormiente in queste macchine apparentemente intelligenti.

Con l’avvento dell’Internet-of-Things (o IoT) che ha portato la tecnologia informatica a un nuovo livello e ridefinito la parola “smart” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), è giusto dire che l’eccitazione è solo iniziata.

Questo articolo mira a rispondere alla domanda “come fa un sensore a sentire?” e si concentra sulla fisica del funzionamento di un sensore.

Che cos’è Internet-of-Things (IoT)?

Gli ingegneri e gli scienziati tendono a nomenclare (scegliere un nome per qualcosa) in modo che il termine appena coniato sia autoesplicativo. Il termine IoT non è diverso.

Come suggerisce il nome, IoT è un ombrello che comprende tutti i tipi di dispositivi. Sono incorporati in un sistema o esistono come entità individuali. In entrambi i casi, la chiave è che comunicano (o parlano) tra loro tramite internet. Ogni dispositivo ha un trasmettitore e un ricevitore incorporato che attua il processo di comunicazione usando internet.

Tuttavia, ogni sistema IoT non è lo stesso e non è necessariamente adatto a tutte le applicazioni. Di fatto, sono simili a noi umani. Ogni individuo è grande in qualcosa. Non ci si può aspettare che un attore guidi un aereo e che un pilota reciti in un film. Allo stesso modo, non ci si può aspettare che un singolo sistema IoT (e dispositivo) faccia tutto. Quindi, gli ingegneri progettano diversi sistemi per eseguire diversi compiti per fornire i migliori risultati possibili.

Nel business moderno, il cliente è il re e questo è vero in tutti i settori. Quindi, i progettisti di sistemi progettano, producono e spediscono sempre sistemi IoT per fornire un’esperienza utente senza soluzione di continuità. Sviluppo di prodotti hardware IoT: How-To di Vera Kozyr, ribadisce il tempo e gli sforzi investiti da tutte le parti interessate nella creazione di un sistema end-to-end, in stile plug-and-play dalla prospettiva di un prodotto hardware.

Prima di esplorare le viscere di un dispositivo IoT, è importante differenziare tra un dispositivo e un sistema.

Un dispositivo è come un membro individuale, mentre il sistema è come una squadra che coinvolge l’individuo. Quindi, un dispositivo è una parte di un sistema, mentre il viceversa non è vero.

Componenti del sistema IoT

Ogni sistema comprende più componenti individuali (e sottocomponenti) che collettivamente lavorano per raggiungere un obiettivo comune. Inoltre, essere parte di un sistema (team) assicura una maggiore produttività e raggiunge risultati migliori. I componenti principali di un sistema IoT sono:

• I sensori per percepire le quantità fisiche
• Micro-controller centrale in loco che controlla tutte le azioni eseguite dai sensori e dagli altri componenti
• Cloud, Analisi ed elaborazione dei dati per analizzare ed elaborare i dati ricevuti
• Trasmettitore e ricevitore per stabilire una comunicazione tra i diversi sensori, sensori e micro-controllore e il server centrale cloud via internet
• Interfaccia utente per comunicare con l’utente ed eseguire compiti istruiti dall’utente

Sensori IoT: Il ponte verso il mondo reale

Un buon esempio di un sistema IoT è uno smartphone che di solito consiste in:

• Un modulo GPS (Global Positioning System) per determinare la posizione
• Un sensore di temperatura per rilevare la temperatura ambientale
• Un microfono per rilevare la voce dell’utente e,
• Un sensore di prossimità per rilevare la distanza dell’utente dal telefono e bloccarlo durante una chiamata.

Diverse applicazioni su smartphone utilizzano diversi sensori. Per esempio, Google Maps ha un’interfaccia utente (un’app) per interagire con il modulo GPS e raccogliere le coordinate della posizione. Elabora i dati tramite una connessione internet per aiutare l’utente a raggiungere la sua destinazione.

Il sistema di gestione della batteria (BMS) è un altro esempio di un sistema IoT che utilizza più sensori. Un BMS è un sistema elettronico che protegge e gestisce le operazioni della batteria. In breve, è il custode personale della batteria. Ho spiegato il funzionamento di un BMS per smartphone nel mio articolo – Battery Management System in Smartphones – in energyio.tech.

Un sensore agisce come un gateway tra il mondo informatico e il mondo reale. Di conseguenza, il sensore ha bisogno di convertire qualsiasi cosa che percepisce nel mondo reale in un qualcosa di speciale che una macchina di calcolo capisce.

Grazie al cielo, il collegamento comune tra i due mondi è l’energia elettrica!

Quindi, arriviamo alla definizione tecnica del sensore – un sensore in un sistema IoT percepisce la quantità fisica desiderata e la converte in un segnale elettrico trasmesso al server centrale basato sul cloud direttamente o tramite un micro-controller in loco.

Un sensore IoT è, beh, un sensore usato in un sistema IoT.

Sistemi micro-elettromeccanici (MEMS) e il meccanismo di rilevamento dei sensori IoT

Sistemi micro-elettromeccanici (o MEMS) è una tecnologia di microsistemi (MST) che consiste in componenti minuti fatti di materiale semiconduttore come il silicio con dimensioni nell’ordine dei micrometri.

Se non tutti, la maggior parte dei sensori che rilevano energia meccanica usano la tecnologia MEMS in un modo o nell’altro. Un accelerometro è un esempio estremamente popolare. Ciò è dovuto principalmente alla rapida crescita e alla grande dipendenza dai computer.

Siccome il materiale di fabbricazione della tecnologia MEMS è un semiconduttore, il vantaggio principale è che può essere incorporato in un circuito integrato (IC). Un IC include altri componenti di calcolo (anch’essi fatti di materiale semiconduttore) che agiscono sui dati ricevuti dai sensori.

In effetti, le piccole dimensioni e l’integrazione del chip riducono drasticamente il costo. Si può letteralmente comprare un accelerometro basato su MEMS per meno di ₹250 (3,34 dollari). Inoltre, i sensori basati su MEMS vantano un’alta sensibilità e rilevano cambiamenti minimi, che erano inimmaginabili con i predecessori.

Tipi di meccanismi di rilevamento e principio di funzionamento

A seconda dell’applicazione, un sistema può comprendere uno o più sensori, che rilevano una diversa quantità fisica, avendo così un meccanismo di rilevamento unico. I due meccanismi di rilevamento più popolari nella tecnologia MEMS che convertono un cambiamento fisico in un segnale elettrico sono:

1. Sondaggio basato sulla risonanza
2. Sondaggio basato sulla capacità

Il meccanismo di rilevamento in entrambi i tipi utilizza un semplice principio – qualsiasi cambiamento nella quantità fisica viene catturato da un cambiamento nella resistenza elettrica o nella capacità del materiale utilizzato nel sensore. Così, un cambiamento maggiore nella quantità fisica mostra un cambiamento maggiore nella resistenza o capacità del materiale e viceversa.

La differenza principale tra i due tipi è il funzionamento dei due meccanismi. Un sistema di rilevamento resistivo utilizza, beh, un resistore mentre un sistema di rilevamento capacitivo utilizza un condensatore.

Non preoccupatevi se non avete mai sentito parlare di un resistore e un condensatore prima di questo articolo. Potete leggere la differenza tra loro. Pensate ai due componenti come a due persone con le loro caratteristiche uniche.

Meccanismo di rilevamento basato sulla resistività (utilizzando la tecnologia MEMS)

Abbiamo usato resistenze resistive per misurare, analizzare, controllare e osservare varie quantità fisiche per oltre un secolo. Come accennato in precedenza, ogni volta che una quantità fisica (come la pressione) cambia, la quantità di variazione della resistenza elettrica determina quanto la quantità è cambiata.

La variazione della resistenza elettrica è governata da principi fisici come l’effetto fotoconduttivo, l’effetto termoresistivo dei semiconduttori e l’effetto piezoresistivo.

1. Il rilevamento tramite cambiamenti nella geometria fisica – La resistenza elettrica di un materiale dipende dalla geometria del materiale, dalla lunghezza e dall’area della sezione trasversale. Qualsiasi cambiamento nella lunghezza e/o nell’area della sezione trasversale influenzerà direttamente la resistenza del materiale.
2. Effetto piezoresistivo – Un materiale piezoresistivo è un materiale speciale la cui resistenza elettrica cambia quando il materiale subisce una deformazione meccanica come una spinta, una trazione o una compressione. Quindi i sensori IoT che misurano la pressione, le vibrazioni e l’accelerazione usano comunemente materiali piezoresistivi.

Altri meccanismi di rilevamento basati sulla resistenza usati nei sensori IoT

Anche se i sensori IoT basati su MEMS sono estremamente efficaci per quantità meccaniche e fisiche, il funzionamento dei sensori resistivi che rilevano quantità non meccaniche come la luce e la temperatura non è lo stesso. Quindi, il meccanismo di rilevamento cambia.

1. Rilevamento della luce – Per rilevare la luce, è necessario uno speciale materiale sensibile alla luce. Le piante rilevano la luce con l’aiuto di molecole speciali chiamate fotorecettori. Allo stesso modo, qualsiasi sensore di rilevamento della luce utilizza fotoresistori – un materiale la cui resistenza elettrica diminuisce all’aumentare dell’intensità della luce. Un resistore dipendente dalla luce o comunemente noto come LDR è un sensore IoT molto popolare usato per rilevare la luce.
2. Rilevamento della temperatura – Simile al rilevamento della luce, il rilevamento della temperatura richiede anche materiali che sono ricettivi ai cambiamenti della temperatura ambiente. La maggior parte dei sensori di temperatura consiste in un termistore – un materiale la cui resistenza elettrica diminuisce con l’aumentare della temperatura. Per esempio, uno dei parametri utilizzati per prevenire il sovraccarico delle moderne batterie agli ioni di litio è quello di rilevare la temperatura della batteria con l’aiuto dei termistori.
3. Sensori chimici – Questi sensori sono utilizzati per rilevare una particolare sostanza chimica. Il sensore contiene uno strato di rilevamento costituito da un materiale la cui resistenza cambia ogni volta che reagisce con la sostanza chimica. Per esempio, molti sistemi IoT utilizzano il sensore di gas della serie MQ (MQ9, MQ2, MQ7, ecc.). Rileva la presenza di vari tipi di gas come monossido di carbonio, GPL e metano.

Conversione in segnali elettrici

Indubbiamente, la seconda equazione scientifica più popolare, la legge di Ohm (V = IR), stabilisce una relazione diretta tra corrente elettrica, tensione e resistenza. La bellezza di questa legge è che qualsiasi piccolo cambiamento nella resistenza può essere convertito in un segnale elettrico (tensione o corrente) in un batter d’occhio.

Quindi, ogni sensore IoT basato sulla resistenza (inclusa la tecnologia MEMS) usa direttamente o indirettamente la legge di Ohm.

Meccanismo di rilevamento basato sulla capacità nei sensori IoT

Un meccanismo di rilevamento basato sulla capacità cattura il cambiamento della quantità fisica cambiando la capacità del materiale e, come la resistenza, dipende dalla geometria fisica del materiale.

Tuttavia, quasi tutti i sistemi di rilevamento basati sulla capacità si basano principalmente sui cambiamenti della geometria fisica – area, distanza, e capacità capacitiva del materiale descritta dalla quantità di carica che può immagazzinare.

Un sensore tattile è uno dei sensori basati sulla capacità più comuni in un sistema IoT. Uno smartphone utilizza un touch screen composto da numerosi sensori tattili. Essenzialmente, è un sensore di pressione che rileva la pressione/forza dal tocco fisico.

Quando lo schermo è stimolato dal tocco fisico, la pressione esercitata cambia l’area e/o la distanza, che innesca un cambiamento nel valore della capacità sotto lo schermo.

Questo cambiamento nella capacità agisce come un interruttore elettrico che guida un segnale elettrico allo stadio successivo. La figura 3 illustra il funzionamento di un sensore touch.

Simile ai sistemi di rilevamento basati sulla resistenza che usano la legge di Ohm, i sistemi basati sulla capacità hanno la loro relazione unica che mappa un cambiamento nella capacità elettrica in tensione e corrente. Sfortunatamente, l’equazione matematica va oltre lo scopo di questo articolo.

Rilevamento capacitivo vs. resistivo

Nel rilevamento resistivo, alcune quantità fisiche come la luce e la temperatura, richiedono un tipo speciale di materiale. Questo è un vantaggio e un pericolo! Da un lato, la variazione di resistenza è unica per la grandezza da misurare. Ma dall’altro lato, questa unicità richiede una procedura di misurazione/sensibilità completamente diversa.

Invece, la maggior parte dei sistemi di rilevamento basati sulla capacità mantengono una procedura di rilevamento uniforme poiché il cambiamento è dovuto principalmente alle variazioni della geometria fisica. Inoltre, sono relativamente nuovi rispetto alla loro controparte resistiva e sono attualmente limitati al rilevamento di sistemi meccanici utilizzando la tecnologia MEMS.

Conclusione

Spero di essere riuscito a spiegare il funzionamento di alcuni dei sensori comunemente usati nei sistemi IoT. Inoltre, la fabbricazione del design dei sensori è solo una parte di un IoT. Il sistema deve elaborare efficacemente i dati ricevuti e fornire risultati incentrati sull’applicazione, soddisfacendo le esigenze dell’utente.

Al momento, i sensori IoT sono penetrati nell’industria manifatturiera e hanno automatizzato la maggior parte delle operazioni manuali portando a un ramo completamente nuovo chiamato IoT industriale (IIOT).

A differenza dei personal computer e degli smartphone, la tecnologia IoT deve ancora imporre una trasformazione drammatica nelle nostre vite. Fino ad allora, l’intero ecosistema IoT deve continuare ad evolversi.

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