W ciągu ostatnich kilku dekad nastąpiły dramatyczne zmiany w świecie komputerów, oprogramowania i technologii obliczeniowej. Jako inżynier, fascynujące jest bycie częścią ery, która może pochwalić się ogromną mocą obliczeniową. Najpopularniejsze z nich to komputery osobiste, laptopy, urządzenia przenośne, takie jak smartfony i smartwatche.

Niemożliwe stało się wyobrażenie sobie i prowadzenie życia bez pomocy mocy obliczeniowej. A najlepsze jest to, że nadal nie dostrzegamy ogromnego potencjału obliczeniowego drzemiącego w tych pozornie inteligentnych maszynach.

Wraz z nadejściem Internetu Rzeczy (lub IoT), który przeniósł technologię obliczeniową na nowy poziom i na nowo zdefiniował słowo “inteligentny” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), można stwierdzić, że ekscytacja dopiero się zaczęła.

Ten artykuł ma na celu udzielenie odpowiedzi na pytanie “jak czujnik wyczuwa?” i skupia się na fizyce działania czujnika.

Co to jest Internet-of-Things (IoT)?

Inżynierowie i naukowcy mają tendencję do nomenklatury (wybierania nazwy dla czegoś), tak aby nowo powstały termin był samooczywisty. Termin IoT nie jest inny.

Jak sama nazwa wskazuje, IoT jest parasolem obejmującym wszystkie typy urządzeń. Są one albo wbudowane w system, albo istnieją jako indywidualna jednostka. Tak czy inaczej, kluczem jest to, że komunikują się one (lub rozmawiają) ze sobą za pośrednictwem Internetu. Każde takie urządzenie ma wbudowany nadajnik i odbiornik, który realizuje proces komunikacji za pomocą Internetu.

Jednakże każdy system IoT nie jest taki sam i niekoniecznie nadaje się do wszystkich zastosowań. W gruncie rzeczy są one podobne do nas, ludzi. Każda jednostka jest w czymś świetna. Nie można oczekiwać od aktora, że będzie pilotował samolot, a od pilota, że zagra w filmie. Podobnie nie można oczekiwać, że jeden system (i urządzenie) IoT będzie robić wszystko. Stąd inżynierowie projektują różne systemy do wykonywania różnych zadań, aby zapewnić najlepsze możliwe wyniki.

W nowoczesnym biznesie klient jest królem i jest to prawdą we wszystkich branżach. Dlatego projektanci systemów zawsze projektują, produkują i dostarczają systemy IoT, aby zapewnić bezproblemowe doświadczenie użytkownika. Rozwój produktów sprzętowych IoT: How-To autorstwa Very Kozyr, powtarza czas i wysiłki zainwestowane przez wszystkie zainteresowane strony w stworzenie systemu typu end-to-end, plug-and-play z perspektywy produktu sprzętowego.

Przed zbadaniem wnętrza urządzenia IoT, ważne jest rozróżnienie między urządzeniem a systemem.

Urządzenie jest jak indywidualny członek, podczas gdy system jest jak zespół obejmujący jednostkę. Tak więc urządzenie jest częścią systemu, podczas gdy odwrotnie nie jest prawdą.

Komponenty systemu IoT

Każdy system składa się z wielu indywidualnych komponentów (i subkomponentów), które wspólnie działają na rzecz osiągnięcia wspólnego celu. Co więcej, bycie częścią systemu (zespołu) zapewnia wyższą produktywność i pozwala osiągnąć lepsze wyniki. Głównymi komponentami systemu IoT są:

• Czujniki do wyczuwania wielkości fizycznych
• Na miejscu centralny mikrokontroler, który kontroluje wszystkie działania wykonywane przez czujniki i inne komponenty
• Chmura, Analiza i przetwarzanie danych w celu analizy i przetwarzania otrzymanych danych
• Nadajnik i odbiornik w celu nawiązania komunikacji między różnymi czujnikami, czujnikami i mikrokontrolerem a centralnym serwerem chmury za pośrednictwem Internetu
• Interfejs użytkownika w celu komunikacji z użytkownikiem i wykonywania zadań zleconych przez użytkownika

IoT Sensors: The Bridge to Real World

Dobrym przykładem systemu IoT jest smartfon, który zazwyczaj składa się z:

• Modułu Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) do określania lokalizacji
• Czujnika temperatury do wyczuwania temperatury otoczenia
• Mikrofonu do wyczuwania głosu użytkownika i,
• Czujnika zbliżeniowego do wyczuwania odległości użytkownika od telefonu i blokowania go podczas rozmowy.

Różne aplikacje na smartfonie używają różnych czujników. Na przykład, Google Maps posiada interfejs użytkownika (aplikację) do interakcji z modułem GPS i zbierania współrzędnych lokalizacji. Przetwarza dane za pośrednictwem połączenia internetowego, aby pomóc użytkownikowi w dotarciu do celu.

System zarządzania bateriami (BMS) to kolejny przykład systemu IoT, który wykorzystuje wiele czujników. BMS to system elektroniczny, który chroni i zarządza operacjami akumulatora. Krótko mówiąc, jest osobistym opiekunem baterii. Wyjaśniłem działanie smartfonowego systemu BMS w moim artykule – Battery Management System in Smartphones – w energyio.tech.

Czujnik działa jak brama między światem obliczeniowym a światem rzeczywistym. W konsekwencji, czujnik musi przekształcić to, co wyczuwa w świecie rzeczywistym w coś specjalnego, co maszyna obliczeniowa rozumie.

Na szczęście, wspólnym łącznikiem między tymi dwoma światami jest energia elektryczna!

W ten sposób dochodzimy do technicznej definicji czujnika – czujnik w systemie IoT wyczuwa pożądaną wielkość fizyczną i przekształca ją w sygnał elektryczny przesyłany do centralnego serwera opartego na chmurze bezpośrednio lub za pośrednictwem mikrokontrolera znajdującego się na miejscu.

Czujnik IoT to, no cóż, czujnik używany w systemie IoT.

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) i mechanizm wykrywania czujników IoT

Systemy mikroelektromechaniczne (lub MEMS) to technologia mikrosystemów (MST) składająca się z drobnych elementów wykonanych z materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem, o rozmiarach rzędu mikrometrów.

Jeśli nie wszystkie, to większość czujników wykrywających energię mechaniczną wykorzystuje technologię MEMS w taki czy inny sposób. Niezwykle popularnym przykładem jest akcelerometr. Wynika to przede wszystkim z szybkiego rozwoju i ogromnego uzależnienia od komputerów.

Ponieważ materiałem produkcyjnym technologii MEMS jest półprzewodnik, jej podstawową zaletą jest to, że można ją wbudować w układ scalony (IC). Układ scalony zawiera inne elementy obliczeniowe (również wykonane z materiału półprzewodnikowego), które działają na danych otrzymanych z czujników.

W rzeczywistości mały rozmiar i integracja z układem scalonym radykalnie zmniejszają koszty. Można dosłownie kupić akcelerometr oparty na MEMS za mniej niż ₹250 ($3.34). Ponadto, czujniki oparte na MEMS mogą pochwalić się wysoką czułością i wykrywać drobne zmiany, co było niewyobrażalne w przypadku ich poprzedników.

Typy mechanizmów czujnikowych i zasada działania

Zależnie od zastosowania, system może składać się z jednego lub więcej czujników, wykrywających różne wielkości fizyczne, a tym samym posiadać unikalny mechanizm czujnikowy. Dwa najpopularniejsze mechanizmy wykrywania w technologii MEMS, które przekształcają zmianę fizyczną w sygnał elektryczny, to:

1. Resistive based sensing
2. Capacitive based sensing

Mechanizm wykrywania w obu typach wykorzystuje prostą zasadę – każda zmiana wielkości fizycznej jest wychwytywana przez zmianę oporu elektrycznego lub pojemności materiału użytego w czujniku. Tak więc, większa zmiana w wielkości fizycznej pokazuje większą zmianę w rezystancji lub pojemności materiału i vice-versa.

Główną różnicą pomiędzy tymi dwoma typami jest działanie tych dwóch mechanizmów. Rezystancyjny system detekcji wykorzystuje, cóż, rezystor, podczas gdy pojemnościowy system detekcji wykorzystuje kondensator.

Nie martw się, jeśli nie słyszałeś o rezystorze i kondensatorze przed tym artykułem. Możesz przeczytać różnicę między nimi. Pomyśl o tych dwóch komponentach jak o dwóch osobach z własnym unikalnym zestawem cech.

Resistive Based Sensing Mechanism (Using MEMS Technology)

Od ponad wieku używamy rezystorów do mierzenia, analizowania, kontrolowania i obserwowania różnych wielkości fizycznych. Jak wspomniano wcześniej, gdy wielkość fizyczna (np. ciśnienie) ulega zmianie, wielkość zmiany oporu elektrycznego określa, jak bardzo zmieniła się ta wielkość.

Zmianą oporu elektrycznego rządzą zasady fizyki, takie jak efekt fotoprzewodnictwa, efekt termorezystancyjny półprzewodników i efekt piezorezystancyjny.

1. Wyczuwanie poprzez zmiany geometrii fizycznej – Opór elektryczny materiału zależy od jego geometrii, długości i pola przekroju poprzecznego. Każda zmiana długości i/lub powierzchni przekroju poprzecznego będzie miała bezpośredni wpływ na opór materiału.
2. Efekt piezorezystancyjny – Materiał piezorezystancyjny jest specjalnym materiałem, którego opór elektryczny zmienia się, gdy materiał doświadcza mechanicznej deformacji, takiej jak pchanie, ciągnięcie lub ściskanie. Dlatego czujniki IoT mierzące ciśnienie, wibracje i przyspieszenie powszechnie wykorzystują materiały piezorezystancyjne.

Inne rezystancyjne mechanizmy wykrywania stosowane w czujnikach IoT

Choć czujniki IoT oparte na MEMS są niezwykle skuteczne w przypadku mechanicznych wielkości fizycznych, działanie czujników rezystancyjnych wykrywających wielkości niemechaniczne, takie jak światło i temperatura, nie jest takie samo. W związku z tym zmienia się mechanizm wykrywania.

1. Light Sensing – Aby wykryć światło, wymagany jest specjalny materiał światłoczuły. Rośliny wykrywają światło za pomocą specjalnych molekuł zwanych fotoreceptorami. Podobnie, każdy czujnik światłoczuły wykorzystuje fotorezystory – materiał, którego opór elektryczny maleje wraz ze wzrostem natężenia światła. Rezystor zależny od światła lub powszechnie znany jako LDR jest bardzo popularnym czujnikiem IoT używanym do wykrywania światła.
2. Czujnik temperatury – Podobnie jak czujnik światła, czujnik temperatury również wymaga materiałów, które są wrażliwe na zmiany temperatury otoczenia. Większość czujników temperatury składa się z termistora – materiału, którego opór elektryczny maleje wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład, jednym z parametrów wykorzystywanych do zapobiegania nadmiernemu ładowaniu współczesnych baterii litowo-jonowych jest wykrywanie temperatury baterii przy pomocy termistorów.
3. Czujniki chemiczne – Czujniki te są wykorzystywane do wykrywania określonych substancji chemicznych. Czujnik zawiera warstwę sensoryczną wykonaną z materiału, którego rezystancja zmienia się przy każdej reakcji z substancją chemiczną. Na przykład, wiele systemów IoT wykorzystuje czujnik gazu serii MQ (MQ9, MQ2, MQ7, itp.). Wykrywa on obecność różnych typów gazów, takich jak tlenek węgla, LPG i metan.

Konwersja na sygnały elektryczne

Prawdopodobnie drugie najpopularniejsze równanie naukowe, Prawo Ohma (V = IR), ustanawia bezpośredni związek między prądem elektrycznym, napięciem i rezystancją. Piękno tego prawa polega na tym, że każda niewielka zmiana rezystancji może zostać przekształcona w sygnał elektryczny (napięcie lub prąd) w mgnieniu oka.

W związku z tym każdy czujnik IoT oparty na rezystancji (w tym technologia MEMS) wykorzystuje prawo Ohma bezpośrednio lub pośrednio.

Mechanizm detekcji oparty na pojemności w czujnikach IoT

Mechanizm detekcji oparty na pojemności wychwytuje zmianę wielkości fizycznej poprzez zmianę pojemności materiału i, podobnie jak rezystancja, zależy od geometrii fizycznej materiału.

Jednakże prawie wszystkie systemy czujników pojemnościowych opierają się głównie na zmianach geometrii fizycznej – powierzchni, odległości i zdolności pojemnościowej materiału opisanej ilością ładunku, który może przechowywać.

Czujnik dotykowy jest jednym z najbardziej powszechnych czujników pojemnościowych w systemie IoT. Smartfon wykorzystuje ekran dotykowy składający się z wielu czujników dotykowych. Zasadniczo jest to czujnik nacisku, który wykrywa nacisk/siłę pochodzącą z fizycznego dotyku.

Gdy ekran jest stymulowany przez fizyczny dotyk, wywierany nacisk zmienia obszar lub/i odległość, co wyzwala zmianę wartości pojemności pod ekranem.

Ta zmiana pojemności działa jak przełącznik elektryczny, który napędza sygnał elektryczny do następnego etapu. Rys. 3 ilustruje działanie czujnika dotykowego.

Podobnie jak systemy sensoryczne oparte na rezystancji, które wykorzystują prawo Ohma, systemy oparte na pojemności mają swoją własną unikalną zależność, która odwzorowuje zmianę pojemności elektrycznej na napięcie i prąd. Niestety, równanie matematyczne wykracza poza zakres tego artykułu.

Capacitive vs. Resistive Sensing

W resistive-sensing, niektóre wielkości fizyczne, takie jak światło i temperatura, wymagają specjalnego rodzaju materiału. Jest to dobrodziejstwo i zmora! Z jednej strony, zmiana rezystancji jest unikalna dla mierzonej wielkości. Ale z drugiej strony, ta unikalność wymaga zupełnie innej procedury pomiarowej/sensorycznej.

Zamiast tego, większość pojemnościowych systemów sensorycznych utrzymuje jednolitą procedurę detekcji, ponieważ zmiana jest głównie spowodowana zmianami w geometrii fizycznej. Co więcej, są one stosunkowo nowe w porównaniu z ich rezystancyjnym odpowiednikiem i są obecnie ograniczone do systemów mechanicznych wykorzystujących technologię MEMS.

Wnioski

Mam nadzieję, że udało mi się wyjaśnić działanie niektórych z powszechnie stosowanych czujników w systemach IoT. Co więcej, projektowanie czujników to tylko jeden z elementów systemu IoT. System musi skutecznie przetwarzać otrzymane dane i zapewniać wyniki ukierunkowane na aplikację, spełniając wymagania użytkownika.

Jak na razie czujniki IoT przeniknęły do przemysłu wytwórczego i zautomatyzowały większość ręcznych operacji, co doprowadziło do powstania zupełnie nowej gałęzi o nazwie Przemysłowy IoT (IIOT).

W przeciwieństwie do komputerów osobistych i smartfonów, technologia IoT musi jeszcze wymusić dramatyczną transformację w naszym życiu. Do tego czasu cały ekosystem IoT musi nadal ewoluować.

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, Repozytorium Wolnych Mediów, lipiec 2008

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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