În ultimele decenii au avut loc schimbări dramatice în lumea computerelor, a software-ului și a tehnologiei de calcul. În calitate de inginer, este fascinant să faci parte dintr-o eră care se mândrește cu cantități uriașe de putere de calcul. Cele mai populare sunt computerele personale, laptopurile, dispozitivele portabile, cum ar fi telefoanele inteligente și ceasurile inteligente.

A devenit imposibil să ne imaginăm și să ducem o viață fără ajutorul unor abilități de calcul. Și partea cea mai bună este că încă zgândărim suprafața vastului potențial de calcul care zace latent în aceste mașini aparent inteligente.

Cu apariția Internet-of-Things (sau IoT) care a dus tehnologia de calcul la un nou nivel și a redefinit cuvântul “inteligent” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), este corect să afirmăm că entuziasmul abia a început.

Acest articol își propune să răspundă la întrebarea “cum simte un senzor?” și se concentrează pe fizica funcționării unui senzor.

Ce este Internetul lucrurilor (IoT)?

Inginerii și oamenii de știință au tendința de a face o nomenclatură (alegerea unui nume pentru ceva) astfel încât termenul nou inventat să fie de la sine înțeles. Termenul IoT nu este diferit.

Așa cum sugerează și numele, IoT este o umbrelă care înglobează toate tipurile de dispozitive. Acestea sunt fie încorporate într-un sistem, fie există ca o entitate individuală. În orice caz, cheia este că acestea comunică (sau vorbesc) între ele prin intermediul internetului. Fiecare astfel de dispozitiv are încorporat un emițător și un receptor care realizează procesul de comunicare folosind internetul.

Cu toate acestea, fiecare sistem IoT nu este la fel și nu este neapărat apt pentru toate aplicațiile. De fapt, acestea se aseamănă cu noi, oamenii. Fiecare individ este grozav la ceva. Nu vă puteți aștepta ca un actor să piloteze un avion și un pilot să joace într-un film. În mod similar, nu vă puteți aștepta ca un singur sistem (și dispozitiv) IoT să facă totul. Prin urmare, inginerii proiectează diferite sisteme pentru a îndeplini diferite sarcini pentru a oferi cele mai bune rezultate posibile.

În afacerile din zilele noastre, clientul este rege și acest lucru este valabil în toate industriile. Prin urmare, proiectanții de sisteme proiectează, produc și livrează întotdeauna sisteme IoT pentru a oferi o experiență de utilizare fără cusur. Dezvoltarea produselor hardware IoT: How-To de Vera Kozyr, reiterează timpul și eforturile investite de toate părțile interesate în crearea unui sistem de tip end-to-end, plug-and-play, din perspectiva unui produs hardware.

Înainte de a explora măruntaiele unui dispozitiv IoT, este important să facem diferența între un dispozitiv și un sistem.

Un dispozitiv este ca un membru individual, în timp ce sistemul este ca o echipă care îl implică pe individ. Astfel, un dispozitiv este o parte a unui sistem, în timp ce invers nu este adevărat.

Componentele sistemului IoT

Care sistem cuprinde mai multe componente individuale (și subcomponente) care lucrează în mod colectiv pentru a atinge un obiectiv comun. Mai mult, a face parte dintr-un sistem (echipă) este asigură o productivitate mai mare și obține rezultate mai bune. Componentele principale ale unui sistem IoT sunt::

• Senzorii pentru detectarea mărimilor fizice
• Microcontrolerul central la fața locului care controlează toate acțiunile efectuate de senzori și alte componente
• Cloud, Analiza și procesarea datelor pentru a analiza și prelucra datele primite
• Transmițătorul și receptorul pentru a stabili o comunicare între diferiți senzori, senzori și microcontroler și serverul central în cloud prin intermediul internetului
• Interfața cu utilizatorul pentru a comunica cu utilizatorul și pentru a efectua sarcinile instruite de acesta

Senzorii IoT: Puntea către lumea reală

Un bun exemplu de sistem IoT este un smartphone care, de obicei, este format din:

• Un modul GPS (Global Positioning System) pentru a determina locația
• Un senzor de temperatură pentru a detecta temperatura ambiantă
• Un microfon pentru a detecta vocea utilizatorului și,
• Un senzor de proximitate pentru a detecta distanța utilizatorului față de telefon și pentru a-l bloca în timpul unui apel.

Diferite aplicații de pe smartphone utilizează diferiți senzori. De exemplu, Google Maps are o interfață de utilizator (o aplicație) pentru a interacționa cu modulul GPS și a colecta coordonatele de localizare. Acesta procesează datele prin intermediul unei conexiuni la internet pentru a ajuta utilizatorul să se îndrepte către destinația sa.

Sistemul de gestionare a bateriei (BMS) este un alt exemplu de sistem IoT care utilizează mai mulți senzori. Un BMS este un sistem electronic care protejează și gestionează operațiunile bateriei. Pe scurt, este îngrijitorul personal al bateriei. Am explicat funcționarea unui BMS de smartphone în articolul meu – Battery Management System in Smartphones – din energyio.tech.

Un senzor acționează ca o poartă de acces între lumea informatică și lumea reală. În consecință, senzorul trebuie să convertească tot ceea ce simte în lumea reală într-un ceva special pe care o mașină de calcul îl înțelege.

Din fericire, legătura comună dintre cele două lumi este energia electrică!

Din acest motiv, ajungem la definiția tehnică a senzorului – un senzor dintr-un sistem IoT detectează cantitatea fizică dorită și o convertește într-un semnal electric transmis către serverul central bazat pe cloud direct sau prin intermediul unui microcontroler de pe site.

Un senzor IoT este, ei bine, un senzor utilizat într-un sistem IoT.

Sisteme microelectromecanice (MEMS) și mecanismul de detecție al senzorilor IoT

Sistemele microelectromecanice (sau MEMS) sunt o tehnologie de microsisteme (MST) care constă în componente minuscule alcătuite din materiale semiconductoare cum ar fi siliciul, cu dimensiuni situate în intervalul micrometric.

Dacă nu toți, majoritatea senzorilor care detectează energie mecanică utilizează tehnologia MEMS într-un fel sau altul. Un accelerometru este un exemplu extrem de popular. Acest lucru se datorează în primul rând creșterii rapide și dependenței vaste de calculatoare.

Din moment ce materialul de fabricație al tehnologiei MEMS este un semiconductor, principalul avantaj este că poate fi încorporat într-un circuit integrat (IC). Un circuit integrat include alte componente de calcul (alcătuite, de asemenea, din material semiconductor) care acționează asupra datelor primite de la senzori.

De fapt, dimensiunea mică și integrarea cipului reduc dramatic costul. Puteți cumpăra literalmente un accelerometru bazat pe MEMS pentru mai puțin de ₹250 (3,34 dolari). De asemenea, senzorii pe bază de MEMS se laudă cu o sensibilitate ridicată și detectează schimbări infime, care erau de neimaginat cu predecesorii.

Tipuri de mecanisme de detecție și principiu de funcționare

În funcție de aplicație, un sistem poate cuprinde unul sau mai mulți senzori, care detectează o cantitate fizică diferită, având astfel un mecanism de detecție unic. Cele două dintre cele mai populare mecanisme de detecție din tehnologia MEMS, care convertesc o schimbare fizică într-un semnal electric, sunt:

1. Detecție bazată pe rezistivitate
2. Detecție bazată pe capacitivitate

Mecanismul de detecție în ambele tipuri utilizează un principiu simplu – orice schimbare a mărimii fizice este captată printr-o schimbare a rezistenței electrice sau a capacității materialului utilizat în senzor. Astfel, o modificare mai mare a mărimii fizice arată o modificare mai mare a rezistenței sau capacității materialului și invers.

Diferența majoră dintre cele două tipuri este reprezentată de funcționarea celor două mecanisme. Un sistem de detecție bazat pe rezistivitate folosește, ei bine, o rezistență, în timp ce un sistem de detecție bazat pe capacitivitate folosește un condensator.

Nu vă faceți griji dacă nu ați auzit de rezistență și condensator înainte de acest articol. Puteți citi care este diferența dintre ele. Gândiți-vă la cele două componente ca la două persoane cu propriul set unic de trăsături.

Mecanism de detecție bazat pe rezistoare (folosind tehnologia MEMS)

De peste un secol folosim rezistențe rezistive pentru a măsura, analiza, controla și observa diverse cantități fizice. După cum am menționat mai devreme, ori de câte ori se modifică o mărime fizică (cum ar fi presiunea), valoarea modificării rezistenței electrice determină cât de mult s-a modificat această mărime.

Modificarea rezistenței electrice este guvernată de principii fizice cum ar fi efectul fotoconductiv, efectul termorezistiv al semiconductorilor și efectul piezorezistiv .

1. Detectarea prin modificări ale geometriei fizice – Rezistența electrică a unui material depinde de geometria, lungimea și aria secțiunii transversale a materialului. Orice modificare a lungimii și/sau a ariei secțiunii transversale va afecta direct rezistența materialului.
2. Efectul piezorezistiv – Un material piezorezistiv este un material special a cărui rezistență electrică se modifică atunci când materialul suferă o deformare mecanică, cum ar fi o împingere, o tragere sau o strângere. Prin urmare, senzorii IoT care măsoară presiunea, vibrațiile și accelerația folosesc în mod obișnuit materiale piezorezistive.

Alte mecanisme de detecție pe bază de rezistivitate utilizate în senzorii IoT

Deși senzorii IoT pe bază de MEMS sunt extrem de eficienți pentru mărimile mecanice, fizice, funcționarea senzorilor rezistivi care detectează mărimi nemecanice, cum ar fi lumina și temperatura, nu este la fel. Astfel, mecanismul de detecție se schimbă.

1. Detectarea luminii – Pentru a detecta lumina, este necesar un material special sensibil la lumină. Plantele detectează lumina cu ajutorul unor molecule speciale numite fotoreceptori. În mod similar, orice senzor de detectare a luminii utilizează fotorezistoare – un material a cărui rezistență electrică scade pe măsură ce crește intensitatea luminii. O rezistență dependentă de lumină sau cunoscută în mod obișnuit sub numele de LDR este un senzor IoT foarte popular utilizat pentru a detecta lumina.
2. Detectarea temperaturii – Similar cu detectarea luminii, detectarea temperaturii necesită, de asemenea, materiale care sunt receptive la schimbările de temperatură ambientală. Majoritatea senzorilor de temperatură constau dintr-un termistor – un material a cărui rezistență electrică scade odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, unul dintre parametrii utilizați pentru a preveni supraîncărcarea bateriilor litiu-ion din zilele noastre constă în detectarea temperaturii bateriei cu ajutorul termistoarelor.
3. Senzori chimici – Acești senzori sunt utilizați pentru a detecta o anumită substanță chimică. Senzorul conține un strat de detecție alcătuit dintr-un material a cărui rezistență se modifică ori de câte ori reacționează cu substanța chimică. De exemplu, multe sisteme IoT utilizează senzorul de gaz din seria MQ (MQ9, MQ2, MQ7, etc.). Acesta detectează prezența diverselor tipuri de gaze, cum ar fi monoxidul de carbon, GPL și metanul.

Conversia în semnale electrice

Cert este că a doua cea mai populară ecuație științifică, Legea lui Ohm (V = IR), stabilește o relație directă între curentul electric, tensiune și rezistență. Frumusețea acestei legi constă în faptul că orice mică modificare a rezistenței poate fi convertită într-o clipită într-un semnal electric (tensiune sau curent).

În consecință, fiecare senzor IoT bazat pe rezistivitate (inclusiv tehnologia MEMS) utilizează direct sau indirect Legea lui Ohm.

Mecanismul de detecție bazat pe capacitivitate în senzorii IoT

Un mecanism de detecție bazat pe capacitivitate captează modificarea cantității fizice prin schimbarea capacității materialului și, ca și rezistența, depinde de geometria fizică a materialului.

Cu toate acestea, aproape toate sistemele de detecție bazate pe capacitivitate se bazează predominant pe modificări ale geometriei fizice – suprafața, distanța și capacitatea capacitivă a materialului descrisă prin cantitatea de sarcină pe care o poate stoca.

Un senzor tactil este unul dintre cei mai comuni senzori pe bază capacitivă într-un sistem IoT. Un smartphone utilizează un ecran tactil format din numeroși senzori tactili. În esență, acesta este un senzor de presiune care detectează presiunea/forța de la atingerea fizică.

Când ecranul este stimulat de atingerea fizică, presiunea exercitată modifică suprafața sau/și distanța, ceea ce declanșează o modificare a valorii capacității de sub ecran.

Această modificare a capacității acționează ca un întrerupător electric care conduce un semnal electric către următoarea etapă. Fig. 3 ilustrează funcționarea unui senzor tactil.

Similare sistemelor de detecție pe bază rezistivă care utilizează legea lui Ohm, sistemele pe bază capacitivă au propria lor relație unică care trasează o modificare a capacității electrice în tensiune și curent. Din păcate, ecuația matematică depășește domeniul de aplicare al acestui articol.

Sensori capacitivi vs. senzori rezistivi

În cazul senzorilor rezistivi, unele mărimi fizice, cum ar fi lumina și temperatura, necesită un tip special de material. Acesta este un avantaj și o nenorocire! Pe de o parte, variația rezistenței este unică pentru mărimea care se măsoară. Dar, pe de altă parte, această unicitate necesită o procedură de măsurare/detecție complet diferită.

În schimb, majoritatea sistemelor de detecție pe bază capacitivă mențin o procedură de detecție uniformă, deoarece variația se datorează în principal variațiilor în geometria fizică. În plus, acestea sunt relativ noi în comparație cu omologul său rezistiv și sunt în prezent limitate la detectarea sistemelor mecanice care utilizează tehnologia MEMS.

Concluzie

Sper că am reușit să explic funcționarea unora dintre senzorii utilizați în mod obișnuit în sistemele IoT. În plus, fabricarea designului senzorilor este doar o parte a unui IoT. Sistemul trebuie să proceseze în mod eficient datele primite și să ofere rezultate centrate pe aplicație, răspunzând cerințelor utilizatorului.

În momentul de față, senzorii IoT au pătruns în industria de producție și au automatizat majoritatea operațiunilor manuale, conducând la o ramură cu totul nouă numită IoT industrial (IIOT).

În comparație cu computerele personale și smartphone-urile, tehnologia IoT trebuie încă să impună o transformare dramatică în viața noastră. Până atunci, întregul ecosistem IoT trebuie să continue să evolueze.

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

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

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

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

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

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

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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

.