Manipolazione dati nei sensori intelligenti

I sensori intelligenti non si limitano più al semplice passaggio di un segnale elettrico di misurazione, ma raccolgono, convertono ed elaborano dati e offrono una comunicazione machine-to-machine. Questa tendenza ha offuscato la definizione tradizionale di dispositivo edge e ha dato origine alla nozione di edge estremo che utilizza sensori intelligenti.

Questi sensori intelligenti gestiscono l’onere dell’elaborazione, dell’intelligenza, del trattamento dei dati e di altre funzionalità per aumentare le prestazioni complessive e migliorare l’efficienza energetica. Inoltre, la potenza di calcolo locale dei sensori intelligenti consente una manutenzione predittiva, una maggiore produttività e una produzione flessibile e reattiva.

Architettura del sensore intelligente

La progettazione di un sensore intelligente si basa su tre aspetti importanti: l’acquisizione dei dati, l’elaborazione dei dati e la comunicazione dei dati. Come minimo, un sensore intelligente comprende un elemento sensore, un microprocessore e una tecnologia di comunicazione. Inoltre, incorpora elementi definiti dal software che forniscono la conversione dei dati, l’elaborazione digitale e la comunicazione con dispositivi esterni e con il cloud. Nei casi più avanzati, un sensore intelligente può supportare diverse tecnologie di rilevamento, gestendo e fornendo più valori di misura.

La Figura 1 fornisce un esempio generico dell’architettura di un sensore intelligente che contiene le funzioni più comuni. La catena del segnale in un nodo sensore intelligente inizia con la funzione principale del sensore. Molti di questi producono uscite analogiche di basso livello che richiedono un condizionamento del segnale di precisione per preservare le informazioni critiche che raccolgono. Le funzioni di condizionamento del segnale includono l’eccitazione del sensore, l’amplificazione del segnale, il filtraggio anti-alias, il filtraggio passa-basso e passa-alto, la linearizzazione e una caratteristica spesso trascurata ma fondamentale: l’isolamento.

Figura 1: Architettura del sensore intelligente

Come unità di elaborazione si possono utilizzare diversi tipi di dispositivi: microcontrollori, SoC e FPGA. La scelta di ognuno di essi dipende dalla complessità e dalla funzionalità del sensore intelligente. Le unità di elaborazione integrate nei sensori intelligenti sono molto più sofisticate e incorporano sorgenti di eccitazione, convertitori analogico-digitali (A-D) e D-A ad alta risoluzione, I/O discreti generici, architetture veloci, supporto matematico e modalità a basso consumo. L'intelligenza integrata monitora continuamente gli elementi discreti del sensore, convalida i dati tecnici forniti e verifica periodicamente la calibrazione e la salute del sensore. La differenza essenziale del sensore intelligente rispetto al sensore integrato con circuito di elaborazione dati incorporato è la sua capacità di intelligenza (funzioni di autodiagnosi, autoidentificazione o autoadattamento (processo decisionale)). L’utilizzo di un sistema basato su un processore all’interno dei sensori può portare potenzialmente vantaggi significativi rispetto ai semplici progetti di sensori: migliore precisione, affidabilità, rilevamento dei guasti, gestione avanzata dell’alimentazione, ciclo di progettazione flessibile e funzioni aggiuntive, ecc.

I sensori intelligenti possono essere collegati tramite una serie di interfacce diverse, utilizzando connessioni senza contatto, ottiche/induttive o ‘senza fili’ tramite tecnologia radio passiva o attiva. La scelta dell’interfaccia dipende dai requisiti e dalle esigenze, come l’alimentazione, la portata e la miniaturizzazione. La funzione di comunicazione/immagazzinamento supporta lo staging dei dati e la connettività con i servizi cloud IoT (crittografia/sicurezza, archiviazione e analisi). Infine, il modulo di comunicazione gestisce la comunicazione tra il sistema di sensori intelligenti e i dispositivi esterni (locali, remoti o stazioni di monitoraggio).

Ecosistema di sensori intelligenti

Un elemento di differenziazione del sensore intelligente è il suo ruolo nel più ampio ecosistema di informazioni e analisi. L’integrazione di sensori intelligenti in tutta la catena di fornitura può ridurre i costi operativi, aumentare l’efficienza degli asset e migliorare la pianificazione della domanda. Gli standard di trasmissione, come WiFi, Bluetooth, NFC, RFID e altri, vengono poi utilizzati per comunicare questi dati ad altri sensori, dispositivi di controllo, piattaforme di gestione centralizzate o piattaforme di calcolo distribuite per l’aggregazione e l’analisi dei dati (Figura 2).

Figura 2: Ecosistema di sensori intelligenti

I dati dei sensori intelligenti vengono di solito elaborati e archiviati in un database esterno o in una piattaforma di cloud computing. Di solito, l’invio dei dati direttamente al cloud può essere problematico in sistemi di grandi dimensioni che contengono una serie di sensori di fornitori diversi. Questi possono utilizzare protocolli diversi per trasmettere le informazioni. Il modo più comune di ottenere dati dai sensori intelligenti è quello di utilizzare un dispositivo di collegamento noto come gateway in ogni stanza. Il gateway riceve i dati dai sensori e li rende utilizzabili. I dati vengono trasmessi dai sensori intelligenti al gateway in modalità wireless. Il gateway converte quindi i dati dei sensori intelligenti e li invia in modalità wireless tramite Wi-Fi e LTE o un cavo Ethernet cablato a una piattaforma locale o basata su cloud.

Invece di elaborare e archiviare i dati nel cloud, gli utenti possono creare una dashboard più localmente utilizzando un’applicazione. In questo modo è possibile costruire una semplice dashboard per visualizzare i dati ricevuti dal gateway, senza la necessità di iscriversi a una delle piattaforme cloud.

Un fattore chiave per realizzare il pieno potenziale della tecnologia dei sensori intelligenti è il modo in cui può essere collegata all'assistenza tecnica da remoto. Le funzionalità di comunicazione digitale consentono agli specialisti delle applicazioni e dei prodotti di accedere ai file di impostazione dei sensori. Una configurazione specifica del sensore può essere caricata e scaricata attraverso il protocollo di comunicazione o uno strumento esterno di comunicazione del sensore. I tecnici possono modificare da remoto le impostazioni del sensore in base alle nuove esigenze e ai nuovi requisiti dell’applicazione, valutando un file di impostazione del sensore scaricato dal sito di applicazione, dalla fabbrica o dal laboratorio. Ciò consente la simulazione e la valutazione a distanza del comportamento e della diagnostica del sensore da parte di tecnici esperti, che possono essere un valido supporto per la configurazione o la messa a punto dei sensori nella fase di progettazione.

Per ulteriori informazioni sui sensori intelligenti e le tendenze principali sullo sviluppo dei sensori, leggete il nostro documento informativo su Il sensore intelligente che abilita l’intelligent Internet of Things”.