Des capteurs intelligents avancés qui façonnent l’avenir de l’IoT

Les applications Internet des objets (IoT), qu'il s'agisse d'infrastructures urbaines, d'usines ou d'appareils portables, utilisent de vastes réseaux de capteurs collectant des données pour les transmettre sur Internet vers une ressource informatique centrale basée sur le cloud. Le logiciel d'analyse exécuté sur les ordinateurs cloud réduit les énormes volumes de données générées en informations exploitables pour les utilisateurs et en commandes aux actionneurs sur le terrain.

Les capteurs sont un facteur clé du succès de l’IoT, mais il ne s’agit pas de types conventionnels qui convertissent simplement des variables physiques en signaux électriques. Ils ont dû évoluer vers quelque chose de plus sophistiqué pour jouer un rôle techniquement et économiquement viable dans l'environnement IoT.

Cet article passe en revue les attentes de l’IoT à l’égard de ses capteurs :ce qui doit être fait pour obtenir les caractéristiques du grand réseau de capteurs de l’IoT. Il aborde ensuite la manière dont les fabricants ont réagi en améliorant la fabrication, en augmentant l'intégration et en intégrant l'intelligence, aboutissant au concept de capteurs intelligents désormais largement utilisés.

Il deviendra évident que l'intelligence des capteurs, en plus de faciliter la connectivité IoT, crée également de nombreux autres avantages liés à la maintenance prédictive, à une fabrication plus flexible et à une productivité améliorée.

Qu'attend l'IoT de ses capteurs ?

Les capteurs sont traditionnellement des dispositifs fonctionnellement simples qui convertissent des variables physiques en signaux électriques ou en modifications de propriétés électriques. Bien que cette fonctionnalité soit un point de départ essentiel, les capteurs doivent ajouter les propriétés suivantes pour fonctionner en tant que composants IoT :

• Faible coût, ils peuvent donc être déployés de manière économique en grand nombre

• Physiquement petit, pour « disparaître » discrètement dans n'importe quel environnement

• Sans fil, car une connexion filaire n'est généralement pas possible

• Auto-identification et auto-validation

• Très faible consommation, ce qui lui permet de survivre pendant des années sans changer de batterie, ou de se débrouiller avec la récupération d'énergie

• Robuste, pour minimiser ou éliminer la maintenance

• Autodiagnostic et auto-guérison

• Auto-calibrage ou accepte les commandes d'étalonnage via une liaison sans fil

• Prétraitement des données, pour réduire la charge sur les passerelles, les automates et les ressources cloud

Les informations provenant de plusieurs capteurs peuvent être combinées et corrélées pour déduire des conclusions sur des problèmes latents ; par exemple, les données des capteurs de température et des capteurs de vibrations peuvent être utilisées pour détecter l'apparition d'une défaillance mécanique. Dans certains cas, les deux fonctions du capteur sont disponibles dans un seul appareil; dans d'autres, les fonctions sont combinées dans un logiciel pour créer un capteur « doux ».

La réponse des fabricants :solutions de capteurs intelligents

Cette section examine les capteurs intelligents qui ont été développés pour les applications IoT en termes à la fois de leurs éléments de base et de leur fabrication, puis passe en revue certains des avantages découlant de l'intelligence intégrée des capteurs, en particulier les possibilités d'autodiagnostic et de réparation.

Que contient un capteur intelligent et de quoi est-il capable ?

Nous avons passé en revue les attentes de l’IoT en matière de capteur intelligent, mais comment l’industrie a-t-elle réagi ? Qu'est-ce qui est intégré à un capteur intelligent moderne et de quoi est-il capable ?

Les capteurs intelligents sont construits comme des composants IoT qui convertissent la variable du monde réel qu'ils mesurent en un flux de données numériques pour la transmission à une passerelle. La figure 1 montre comment ils procèdent. Les algorithmes d'application sont exécutés par une unité à microprocesseur (MPU) intégrée. Ceux-ci peuvent exécuter le filtrage, la compensation et toute autre tâche de conditionnement de signal spécifique au processus.

Figure 1. Éléments constitutifs du capteur intelligent. (Image :©Premier Farnell Ltd.)

L’intelligence du MPU peut également être utilisée pour de nombreuses autres fonctions afin de réduire la charge sur les ressources plus centrales de l’IoT ; par exemple, les données d'étalonnage peuvent être envoyées au MPU afin que le capteur soit automatiquement configuré pour tout changement de production. Le MPU peut également détecter tout paramètre de production qui commence à dériver au-delà des normes acceptables et générer des avertissements en conséquence ; les opérateurs peuvent alors prendre des mesures préventives avant qu'une panne catastrophique ne se produise.

Le cas échéant, le capteur peut fonctionner en mode « rapport par exception », dans lequel il ne transmet les données que si la valeur de la variable mesurée change de manière significative par rapport aux valeurs de l'échantillon précédent. Cela réduit à la fois la charge sur la ressource informatique centrale et les besoins en énergie du capteur intelligent, ce qui constitue généralement un avantage essentiel, car le capteur doit s'appuyer sur une batterie ou sur la récupération d'énergie en l'absence d'alimentation connectée.

Si le capteur intelligent comprend deux éléments dans la sonde, un autodiagnostic du capteur peut être intégré. Toute dérive en développement dans l'une des sorties de l'élément du capteur peut être détectée immédiatement. De plus, si un capteur tombe complètement en panne, par exemple en raison d'un court-circuit, le processus peut continuer avec le deuxième élément de mesure. Alternativement, une sonde peut contenir deux capteurs qui fonctionnent ensemble pour un meilleur retour de surveillance.

Capteur intelligent :un exemple pratique

Une application développée par Texas Instruments fournit un exemple pratique de capteur intelligent et montre comment ses éléments de base fonctionnent ensemble pour générer des informations utiles à partir de mesures analogiques de courant et de température, ainsi que fournir l'intelligence nécessaire aux autres fonctions mentionnées. L'application utilise une variante de leur gamme de MCU MSP430 à très faible consommation pour créer un indicateur de défaut intelligent pour les réseaux de distribution d'énergie électrique.

Lorsqu'ils sont correctement installés, les indicateurs de panne réduisent les coûts d'exploitation et les interruptions de service en fournissant des informations sur une section défaillante du réseau. Dans le même temps, le dispositif augmente la sécurité et réduit les dommages matériels en réduisant le besoin de procédures dangereuses de diagnostic des pannes. Les indicateurs de défaut, en raison de leur emplacement, sont principalement alimentés par batterie, un fonctionnement à faible consommation est donc également hautement souhaitable.

Les indicateurs de défaut, installés aux jonctions du réseau de lignes électriques aériennes, envoient sans fil des données de mesure de la température et du courant dans les lignes de transport d'électricité aux concentrateurs/terminaux montés sur les poteaux. Les concentrateurs utilisent un modem GSM pour transmettre les données au réseau cellulaire afin de relayer les informations en temps réel vers la station principale. La station principale peut également contrôler et exécuter des diagnostics sur les indicateurs de défaut via ce même chemin de données.

Une connexion continue à la gare principale présente plusieurs avantages. Le premier est la possibilité de surveiller à distance les conditions de panne plutôt que de les rechercher sur le terrain. Un indicateur de défaut intelligent peut également surveiller en permanence la température et le courant afin que le contrôleur de la station principale dispose d'informations sur l'état en temps réel du réseau de distribution d'énergie. Ainsi, les fournisseurs d’électricité peuvent identifier rapidement l’emplacement du défaut, minimiser les temps d’arrêt et même prendre des mesures avant qu’une panne ne se produise. Les travailleurs de la station principale peuvent exécuter des diagnostics sur les indicateurs de panne à intervalles requis pour vérifier qu'ils fonctionnent correctement.

Figure 2. Schéma fonctionnel d'un indicateur de défaut intelligent basé sur le MCU FRAM MSP430. (Image :Texas Instruments)

La figure 2 est un schéma fonctionnel d'un tel indicateur de défaut intelligent basé sur le microcontrôleur (MCU) à mémoire vive ferroélectrique (FRAM) TI MSP430. Le transducteur de courant produit une tension analogique proportionnelle au courant de la ligne électrique. Un amplificateur opérationnel (ampli opérationnel) amplifie et filtre ce signal de tension. Le convertisseur analogique-numérique (ADC) du MCU échantillonne la sortie de l'ampli opérationnel. Le flux numérique de l'ADC est ensuite analysé par un logiciel exécuté sur le CPU ou l'accélérateur. La sortie de l'ampli opérationnel est également connectée à un comparateur sur le MCU. Le comparateur génère un indicateur vers l'unité centrale de traitement (CPU) du MCU si le niveau d'entrée dépasse un seuil prédéterminé.

La puissance de calcul du MSP430 permet une analyse de mesure du courant dans le domaine fréquentiel qui fournit un aperçu plus approfondi de l'état des lignes électriques que les méthodes précédentes dans le domaine temporel. Les vitesses rapides de lecture et d'écriture du FRAM permettent l'accumulation de données pour l'analyse de modèles, tandis que les modes de fonctionnement à très faible consommation d'énergie du MCU permettent une durée de vie prolongée de la batterie.

Fabrication

Pour exploiter tout le potentiel de l'IoT, les méthodes de fabrication de capteurs doivent continuer à réduire la taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C) des composants et du système du capteur. La même tendance doit s'appliquer à l'emballage des capteurs, qui représente actuellement jusqu'à 80 % du coût global et du facteur de forme.

Les capteurs intelligents se forment lorsque les éléments de capteur du système microélectromécanique (MEMS) sont étroitement intégrés aux circuits intégrés (CI) CMOS. Ces circuits intégrés assurent la polarisation du dispositif, l'amplification du signal et d'autres fonctions de traitement du signal. À l'origine, la technologie WLVP (Wafer-level Vacuum Packaging) utilisée incluait uniquement des capteurs discrets, et les capteurs intelligents étaient réalisés en connectant des puces MEMS discrètes aux puces IC via le substrat du boîtier ou de la carte dans une approche appelée intégration multi-puces. Une approche améliorée interconnecte directement le circuit intégré CMOS et les éléments de capteur, sans utiliser de couches de routage dans le boîtier ou la carte, dans une construction connue sous le nom de système sur puce (SoC). Comparé à l'approche de packaging multi-puces discret, le SoC est généralement plus complexe mais conduit à une réduction des parasites, des empreintes plus petites, des densités d'interconnexion plus élevées et des coûts de package inférieurs.

Autres avantages de l'intelligence des capteurs intelligents

Les capteurs photoélectriques intelligents peuvent détecter des modèles dans la structure d'un objet et tout changement dans ceux-ci. Cela se produit de manière autonome dans le capteur, et non dans un élément informatique externe. Cela augmente le débit de traitement et réduit la charge de traitement du processeur central (ou de l'automate local).

La flexibilité de la fabrication est améliorée – un avantage essentiel dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui. Les capteurs intelligents peuvent être programmés à distance avec des paramètres appropriés chaque fois qu'un changement de produit est nécessaire. La production, l'inspection, l'emballage et l'expédition peuvent être définis même pour des lots unitaires à des prix de production en série, afin que chaque consommateur puisse recevoir un produit unique et personnalisé.

La rétroaction des capteurs de position linéaires est traditionnellement gênée par des problèmes liés au bruit du système, à l'atténuation du signal et à la dynamique de réponse. Chaque capteur devait être réglé pour surmonter ces problèmes. Honeywell propose une solution avec ses capteurs de position intelligents SPS-L075-HALS. Ceux-ci peuvent s'auto-étalonner en utilisant une combinaison brevetée d'un ASIC et d'un ensemble de capteurs MR (magnétorésistifs). Cela détermine avec précision et fiabilité la position d'un aimant fixé à des objets en mouvement tels que des ascenseurs, des vannes ou des machines.

Le réseau MR mesure la sortie des capteurs MR montés dans le sens de déplacement de l’aimant. La sortie et la séquence de capteurs MR déterminent la paire de capteurs la plus proche du centre de l'emplacement de l'aimant. La sortie de cette paire est ensuite utilisée pour déterminer la position de l’aimant entre eux. Cette technologie sans contact peut améliorer la durée de vie et la durabilité du produit avec moins de temps d'arrêt. Une fonction d'autodiagnostic peut réduire davantage les niveaux de temps d'arrêt.

Ces capteurs répondent également à d’autres exigences en matière de capteurs intelligents IoT. Leur petite taille permet une installation là où l'espace est limité, tandis que les options d'étanchéité IP67 et IP69K permettent un déploiement dans des environnements difficiles. Ils sont suffisamment intelligents pour remplacer plusieurs composants de capteurs et de commutateurs ainsi que le câblage supplémentaire, les composants externes et les connexions également nécessaires auparavant. Les capteurs sont utilisés dans les applications aérospatiales, médicales et industrielles.

Capteurs intelligents avec capacités d'autodiagnostic et de réparation

Les capteurs intelligents peuvent également être bien adaptés aux applications critiques pour la sécurité, telles que la détection de gaz dangereux, d'incendies ou d'intrus. Les conditions dans ces environnements peuvent être difficiles et les capteurs peuvent être difficiles d'accès pour la maintenance ou le remplacement des batteries, mais une fiabilité élevée est essentielle. Une équipe du centre de recherche Lab-STICC de l'Université de Bretagne Sud a développé une solution qui améliore la fiabilité en utilisant des sondes doubles et du matériel capable de s'auto-diagnostiquer et de se réparer.

Le but ultime de leur projet est d'intégrer tous les éléments décrits dans un seul dispositif discret, adapté à des applications telles que la détection de gaz dangereux dans des zones telles que les ports ou les entrepôts. Le projet se concentre sur un nœud capable d'identifier une défaillance interne et de prendre des mesures correctives pour améliorer à la fois la fiabilité et l'efficacité énergétique. Cela réduit la vulnérabilité du nœud et réduit les coûts de maintenance. La conception reconnaît les limites de ces capteurs :autonomie limitée de la batterie, récupération d'énergie soumise à un comportement peu fiable de la source d'énergie, ressources de traitement et de stockage limitées et besoin de communications sans fil.

Figure 3. Configuration matérielle d'un nœud de capteur sans fil. (Image :©Premier Farnell Ltd.)

Le nœud est équipé de deux capteurs ; en fonctionnement normal, le premier capture les données environnementales tandis que le second n'est activé par les utilisateurs que pour vérifier les données obtenues. Si le premier capteur tombe en panne, la fiabilité du nœud est dégradée, tandis que l’énergie de la batterie est gaspillée pour alimenter le capteur qui ne fonctionne pas. Cependant, si le nœud déconnecte le premier capteur et passe au second, aucune énergie n'est gaspillée et la fiabilité du nœud est maintenue.

En conséquence, l’objectif du projet était de développer un nouvel autodiagnostic basé sur des tests fonctionnels et physiques pour détecter une défaillance matérielle dans n’importe quel composant du nœud de capteur sans fil. Cette méthode peut identifier exactement quel composant de nœud est défaillant et indiquer une action corrective appropriée.

La figure 3 montre la configuration matérielle du nœud de capteur auto-reconfigurable. Ses composants comprennent un processeur, une mémoire RAM/FLASH, une interface pour actionneurs et capteurs (IAS) pour s'interfacer avec l'environnement, un module émetteur-récepteur radio (RTM) pour transmettre et recevoir des données et une batterie avec interrupteurs d'alimentation (convertisseurs DC-DC). Le nœud comprend également un gestionnaire d'alimentation et de disponibilité (PAM) combiné à une zone configurable par FPGA. Le premier est considéré comme la partie intelligente pour la meilleure utilisation de l'énergie, l'autodiagnostic et la tolérance aux pannes, tandis que l'autre améliore la disponibilité du nœud capteur.

Figure 4. Problèmes et actions correctives pour un nœud de capteur d'autodiagnostic. (Image :©Premier Farnell Ltd.)

Le tableau de la figure 4 montre comment le nœud de capteur peut répondre à divers problèmes de nœud. Le FPGA contient un processeur softcore 8051 qui est activé lorsqu'une amélioration des performances est nécessaire ou pour remplacer le processeur principal en cas de panne. Le FPGA est un Actel de type IGL00V2, choisi pour sa fiabilité et sa faible consommation électrique. Le reste du nœud comprend un processeur PIC, une mémoire RAM, un module émetteur-récepteur radio Miwi, deux détecteurs de gaz Oldham OLCT 80, des interrupteurs d'alimentation LM3100 et MAX618 et une batterie.

Conclusion

Dans cet article, nous avons vu comment les fabricants de puces et les chercheurs ont répondu au besoin de capteurs intelligents de l’IoT. Il s’agit en partie d’ajouter des capacités de renseignement et de communication à la fonction de base du transducteur, mais cela implique également une fabrication améliorée. En intégrant les éléments de capteur MEMS et les composants informatiques CMOS sur un seul substrat, les capteurs intelligents peuvent être mis en œuvre dans de petits boîtiers à faible coût qui peuvent être intégrés dans des applications limitées en espace avec une résilience à leurs conditions environnementales.

En conséquence, les concepteurs d’IoT peuvent se procurer les capteurs dont ils ont besoin :petits, bon marché, résilients et suffisamment économes en énergie pour un déploiement omniprésent, tout en disposant de l’intelligence nécessaire pour fournir des informations utiles ainsi que des données brutes. Ils facilitent également une automatisation plus flexible et granulaire, car ils peuvent accepter les commandes entrantes de recalibrage afin de s'adapter aux changements de production.

Cet article a été rédigé par Newark Element 14, Chicago, Illinois. Pour plus d'informations, cliquez ici  .