As últimas décadas experimentaram mudanças dramáticas no mundo dos computadores, software e tecnologia da computação. Como engenheiro, é fascinante fazer parte de uma era que se orgulha de ter um enorme poder computacional. Os mais populares são os computadores pessoais, laptops, dispositivos portáteis como smartphones e relógios inteligentes.

Tornou-se impossível imaginar e levar uma vida sem a ajuda de proezas computacionais. E a melhor parte é que ainda estamos a escumar a superfície do vasto potencial computacional adormecido dentro dessas máquinas aparentemente inteligentes.

Com o advento da Internet das coisas (ou IoT) que levou a tecnologia computacional ao novo nível e redefiniu a palavra “inteligente” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), é justo afirmar que a excitação só começou.

Este artigo pretende responder à pergunta, “como se sente um sensor?” e foca-se na física do funcionamento de um sensor.

O que é Internet das Coisas (IoT)?

Engenheiros e cientistas tendem a nomenticular (escolhendo um nome para algo) para que o termo recém-criado seja auto-explicativo. O termo IoT não é diferente.

Como o nome sugere, IoT é um guarda-chuva que engloba todos os tipos de dispositivos. Eles ou estão embutidos em um sistema ou existem como uma entidade individual. De qualquer forma, a chave é que eles se comunicam (ou falam) uns com os outros através da Internet. Cada um desses dispositivos tem um transmissor e receptor incorporados que efetua o processo de comunicação usando a Internet.

No entanto, todo sistema IoT não é o mesmo e não é necessariamente adequado para todas as aplicações. De facto, eles são semelhantes a nós, humanos. Todo indivíduo é ótimo em alguma coisa. Você não pode esperar que um ator pilota um avião e um piloto atuem em um filme. Da mesma forma, não se pode esperar que um único sistema (e dispositivo) IoT faça tudo. Assim, engenheiros projetam diferentes sistemas para realizar diferentes tarefas para fornecer os melhores resultados possíveis.

Nos negócios modernos, o cliente é rei e isso é verdade em todas as indústrias. Assim, os projetistas de sistemas sempre projetam, produzem e enviam sistemas IoT para fornecer uma experiência de usuário perfeita. Desenvolvimento de Produtos de Hardware IoT: How-To de Vera Kozyr, reitera o tempo e os esforços investidos por todos os envolvidos na criação de um sistema de ponta a ponta, estilo plug-and-play, a partir da perspectiva de um produto de hardware.

Antes de explorar as entranhas de um dispositivo IoT, é importante diferenciar entre um dispositivo e um sistema.

Um dispositivo é como um membro individual, enquanto o sistema é como uma equipe envolvendo o indivíduo. Assim, um dispositivo é parte de um sistema, enquanto o inverso não é verdadeiro.

Componentes do sistema IoT

Um sistema compreende múltiplos componentes individuais (e subcomponentes) que trabalham coletivamente para atingir um objetivo comum. Além disso, fazer parte de um sistema (equipe) é assegurar uma maior produtividade e alcançar melhores resultados. Os principais componentes de um sistema IoT são:

• Os Sensores para sentir quantidades físicas
• Micro-controlador central no local que controla todas as ações realizadas pelos sensores e outros componentes
• Nuvem, Análise e Processamento de Dados para analisar e processar os dados recebidos
• Transmissor e Receptor para estabelecer uma comunicação entre diferentes sensores, sensores e micro-controlador e o servidor central da nuvem via internet
• Interface do Usuário para se comunicar e executar tarefas instruídas pelo usuário

Sensores IoT: A Ponte para o Mundo Real

Um bom exemplo de um sistema IoT é um smartphone que normalmente consiste em:

• Um módulo de Sistema de Posicionamento Global (GPS) para determinar a localização
• Um sensor de temperatura para sentir a temperatura ambiente
• Um microfone para sentir a voz do usuário e,
• Um sensor de proximidade para sentir a distância do usuário do telefone e bloqueá-lo durante uma chamada.

Aplicações diferentes no smartphone usam sensores diferentes. Por exemplo, o Google Maps tem uma interface de utilizador (uma aplicação) para interagir com o módulo GPS e reunir as coordenadas de localização. Ele processa os dados através de uma conexão com a Internet para ajudar o usuário a rotear para seu destino.

Battery Management System (BMS) é outro exemplo de um sistema IoT que usa vários sensores. Um BMS é um sistema eletrônico que protege e gerencia as operações da bateria. Em suma, é o responsável pessoal pela manutenção da bateria. Expliquei o funcionamento de um BMS smartphone no meu artigo – Battery Management System in Smartphones – em energyio.tech.

Um sensor age como um gateway entre o mundo da computação e o mundo real. Consequentemente, o sensor precisa converter o que quer que sinta no mundo real em algo especial que uma máquina de computação entenda.

Felizmente, o elo comum entre os dois mundos é a energia elétrica!

Hence, chegamos à definição técnica do sensor – um sensor em um sistema IoT sente a quantidade física desejada e a converte em um sinal elétrico transmitido para o servidor central baseado na nuvem diretamente ou através de um micro-controlador no local.

Um sensor IoT é, bem, um sensor usado num sistema IoT.

Sistemas Micro-Electromecânicos (MEMS) e O Mecanismo de Detecção de Sensores IoT

Sistemas Micro-Electromecânicos (ou MEMS) é uma tecnologia de microssistemas (MST) que consiste em componentes minúsculos feitos de material semicondutor como o silício com tamanho dentro da gama de micrómetros.

Se não todos, a maioria dos sensores que detectam energia mecânica utilizam a tecnologia MEMS de uma forma ou de outra. Um acelerômetro é um exemplo extremamente popular. Isto é principalmente devido ao rápido crescimento e vasta dependência de computadores.

Desde que o material de fabricação da tecnologia MEMS é um semicondutor, a principal vantagem é que ele pode ser embutido em um circuito integrado (CI). Um CI inclui outros componentes de computação (também compostos de material semicondutor) que atuam sobre os dados recebidos dos sensores.

Na verdade, o pequeno tamanho e a integração do chip reduzem drasticamente o custo. Você pode literalmente comprar um acelerômetro baseado em MEMS por menos de ₹250 ($3,34). Além disso, sensores baseados em MEMS possuem alta sensibilidade e detectam alterações mínimas, que eram inimagináveis com os anteriores.

Tipos de Mecanismos de Sensoriamento e Princípio de Funcionamento

Dependente da aplicação, um sistema pode compreender um ou mais sensores, detectando uma quantidade física diferente, tendo assim um mecanismo de sensoriamento único. Os dois mecanismos de sensoriamento mais populares na tecnologia MEMS que convertem uma mudança física em um sinal elétrico são:

1. Sensor de baseesistiva
2. Sensor de base capacitiva

O mecanismo de sensoriamento em ambos os tipos usa um princípio simples – qualquer mudança na quantidade física é capturada por uma mudança na resistência elétrica ou na capacitância do material usado no sensor. Assim, uma alteração maior na quantidade física mostra uma alteração maior na resistência ou capacitância do material e vice-versa.

A maior diferença entre os dois tipos é o funcionamento dos dois mecanismos. Um sistema de sensor de base resistiva usa, bem, um resistor enquanto um sistema de sensor de base capacitiva usa um capacitor.

Não se preocupe se você não ouviu falar de um resistor e capacitor antes deste artigo. Você pode ler a diferença entre eles. Pense nos dois componentes como duas pessoas com seu próprio conjunto único de características.

Mecanismo de sensoriamento baseado emesistivo (Usando Tecnologia MEMS)

Temos usado resistores resistivos para medir, analisar, controlar e observar várias grandezas físicas por mais de um século. Como mencionado anteriormente, sempre que uma quantidade física (como pressão) muda, a quantidade de mudança na resistência elétrica determina o quanto a quantidade mudou.

A mudança na resistência elétrica é governada por princípios físicos como Efeito Fotocondutor, Efeito Termoresistivo de Semicondutores e Efeito Piezoresistivo .

1. Sensoriamento através de Mudanças na Geometria Física – A resistência elétrica de um material depende da geometria, comprimento e área da seção transversal do material. Qualquer alteração no comprimento ou/e na área da seção transversal afetará diretamente a resistência do material.
2. Efeito Piezoresistivo – Um material piezoresistivo é um material especial cuja resistência elétrica muda quando o material sofre uma deformação mecânica como um empurrão, um puxão ou um aperto. Assim, os sensores de pressão, vibração e aceleração que medem o IoT normalmente usam materiais piezoresistivos.

Outros Mecanismos de Sensoriamento de Base Resistiva Usados em Sensores IoT

Embora os sensores IoT baseados em MEMS sejam extremamente eficazes para quantidades mecânicas, físicas, a operação dos sensores resistivos detectando quantidades não mecânicas como luz e temperatura não é a mesma. Assim, o mecanismo de detecção muda.

1. Detecção da luz – Para detectar a luz, é necessário um material especial sensível à luz. As plantas detectam a luz com a ajuda de moléculas especiais chamadas fotorreceptores. Da mesma forma, qualquer sensor fotossensível utiliza fotossensores – um material cuja resistência eléctrica diminui à medida que a intensidade da luz aumenta. Uma resistência dependente da luz ou comumente conhecida como LDR é um sensor IoT muito popular usado para detectar a luz.
2. Sensor de Temperatura – Semelhante ao sensor de luz, o sensor de temperatura também requer materiais que sejam receptivos a mudanças na temperatura ambiente. A maioria dos sensores de temperatura consiste em um termistor – um material cuja resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura. Por exemplo, um dos parâmetros utilizados para evitar a sobrecarga das baterias modernas de iões de lítio é detectar a temperatura da bateria com a ajuda de termistores.
3. Sensores Químicos – Estes sensores são utilizados para detectar um determinado produto químico. O sensor contém uma camada de detecção constituída por um material cuja resistência muda sempre que reage com o produto químico. Por exemplo, muitos sistemas IoT utilizam o sensor de gás da série MQ (MQ9, MQ2, MQ7, etc.). Ele detecta a presença de vários tipos de gases como monóxido de carbono, GLP e metano.

Conversão para Sinais Elétricos

Arguavelmente, a segunda equação científica mais popular, a Lei de Ohm (V = IR), estabelece uma relação direta entre corrente elétrica, tensão e resistência. A beleza dessa lei é que qualquer pequena mudança na resistência pode ser convertida em um sinal elétrico (tensão ou corrente) em um instante.

Hence, todo sensor de IoT baseado em resistivo (incluindo a tecnologia MEMS) usa a Lei de Ohm direta ou indiretamente.

Mecanismo de Sensoriamento de Base Capacitiva em Sensores de Luminosidade Óssea

Um mecanismo de sensoriamento de base capacitiva captura a mudança na quantidade física alterando a capacitância do material e, como a resistência, depende da geometria física do material.

No entanto, quase todos os sistemas de sensoriamento com base capacitiva dependem predominantemente de mudanças na geometria física – área, distância e capacidade capacitiva do material descrita pela quantidade de carga que pode armazenar.

Um sensor de toque é um dos sensores com base capacitiva mais comuns em um sistema IoT. Um smartphone utiliza um ecrã táctil composto por numerosos sensores tácteis. Essencialmente, é um sensor de pressão que detecta a pressão/força do toque físico.

Quando a tela é estimulada pelo toque físico, a pressão exercida muda a área e/ou/e a distância, o que dispara uma mudança no valor da capacitância sob a tela.

Esta mudança na capacitância age como um interruptor elétrico que aciona um sinal elétrico para o próximo estágio. A figura 3 ilustra o funcionamento de um sensor de toque.

Trabalho de sensores de toque capacitivos baseados na Lei de Ohm, os sistemas baseados na capacidade capacitiva têm sua própria relação única que mapeia uma mudança na capacitância elétrica para tensão e corrente. Infelizmente, a equação matemática está além do escopo deste artigo.

Sensoriamento capacitivo vs. Sensoriamento resistivo

No sensoriamento resistivo, algumas grandezas físicas como luz e temperatura, requerem um tipo especial de material. Isto é uma bênção e uma desgraça! Por um lado, a variação da resistência é exclusiva da quantidade que está sendo medida. Mas, por outro lado, esta singularidade requer um procedimento de medição/sensibilidade totalmente diferente.

Em vez disso, a maioria dos sistemas de sensoriamento capacitivos mantém um procedimento de sensoriamento uniforme, uma vez que a mudança se deve principalmente a variações na geometria física. Além disso, eles são relativamente novos em comparação com seu equivalente resistivo e estão atualmente limitados a sistemas mecânicos de sensoriamento usando tecnologia MEMS.

Conclusão

Espero ter sido capaz de explicar o funcionamento de alguns dos sensores comumente usados em sistemas IoT. Além disso, a fabricação do projeto do sensor é apenas uma parte de uma instalação IoT. O sistema tem que processar efetivamente os dados recebidos e fornecer resultados centrados no aplicativo, atendendo aos requisitos do usuário.

Como está agora, os sensores IoT penetraram na indústria de fabricação e automatizaram a maioria das operações manuais levando a um ramo inteiramente novo chamado The Industrial IoT (IIOT).

Não parecido com computadores pessoais e smartphones, a tecnologia IoT ainda está para impor uma transformação dramática em nossas vidas. Até lá, todo o ecossistema IoT precisa continuar evoluindo.

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

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