Интернет вещей и периферийные вычисления способствовали внедрение во множество областей жизни smart-технологий: умный город, умные фабрики, умное сельское хозяйство, умная медицина и многое другое. Основа данных технологий – сбор данных в режиме реального времени с помощью различных датчиков и последующий анализ полученных данных.

Прогнозируется, что к 2025 году количество устройств, подключенных к интернету вещей, достигнет 64 миллиардов, а рынок интернета вещей в том же году достигнет 949,42 миллиардов долларов. Постоянно ускоряющийся рост производства различных типов датчиков также говорит о росте индустрии интернета вещей. Обновление аппаратной и программной части датчиков и систем на их основе происходит стремительными темпами, и ожидается, что в ближайшие 25 лет размеры датчиков значительно сократятся, а сами датчики станут еще «умнее» и дешевле, что в свою очередь увеличит масштаб их использования.

Работа облачных серверов IoT и пограничных (шлюзовых) устройств зависят от датчиков, отвечающих за сбор данных в режиме реального времени. Так как окружающая нас действительность, как правило, оперирует сигналами, представленными в аналоговой форме, такими как температура в градусах Цельсия, расстояние в метрах, скорость в километрах в час, давление в ньютонах на квадратный метр и т. д., задача датчиков состоит в том, чтобы улавливать изменения данных параметров в окружающей среде и затем преобразовывать полученные данные в цифровой вид.

Датчики являются конечной точкой в сети интернета вещей, так как находятся дальше от облачных серверов, чем другие устройства сети. Несмотря на то, что датчики имеют небольшие размеры и не являются такой важной частью сети как облачные серверы, они могут сыграть решающую роль в проектировании и работе системы. Одним из примеров важности датчика в системе являются недавние крушения самолетов Boeing 737 Max, где одним из факторов, повлекших за собой обе трагедии, стала именно неисправность датчика.

Датчики должны подключаться и взаимодействовать с пограничными устройствами и облачными серверами для работы в сети IoT. В настоящее время для организации взаимодействия с серверами и пограничными устройствами используются преимущественно беспроводные технологии, такие как Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT (сотовая связь). Организация сети и количество датчиков в ней определяют необходимое количество пограничных устройств, отвечающих за выполнение граничных вычислений (анализа данных с датчиков) перед отправкой информации на облачные серверы.

Существует множество типов датчиков разных форм и размеров, способных измерить практически любую физическую величину. Некоторые из них представляют собой один единственный компонент, например, светочувствительный диод; другие - модуль с различной периферией и встроенным микроконтроллером.

Датчики могут быть использованы для измерения света, звука, температуры, давления, положения, изменения высоты и расстояния, газового состава воздуха, скорости и направления движения, плотности и состава жидкости и так далее. Существует также множество датчиков на основе технологий, используемых для обнаружения и распознавания объектов: радар, LiDAR, световой детектор, магнитный детектор, детектор инфракрасного излучения (IR), датчики на основе индуктивностей, устройства обработки изображений, устройства для работы с ультразвуковым излучением, сонары, устройства для работы с фотонным излучением, сенсорное распознавание, энкодеры и многое другое.

Ниже приведен примерный список доступных на сегодняшний день типов датчиков:

• Датчик атмосферного давления
• Датчик расстояния/ приближения
• Датчик влажности
• ИК-сенсор
• Датчик уровня
• Световой датчик
• Датчик движения
• Датчик дыма и газа
• Датчик температуры
• Датчик прикосновения
• Ультразвуковой датчик

Помимо прочего, датчики также могут быть классифицированы как активные и пассивные, аналоговые и цифровые.

Активные датчики обычно требуют внешней поддержки для работы. Это может быть внешний источник питания или беспроводная передача энергии на основе индуктивностей. В качестве примера можно привести дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT), который может использоваться для преобразования линейного перемещения в эквивалентные электрические сигналы: при работе с LVDT энергия приходит от линейного перемещения через индуктивности без внешнего источника энергии. Пассивные датчики не нуждаются в стимуляции для работы, например, термопара сможет преобразовывать тепло непосредственно в электрические сигналы и без дополнительных источников энергии.

Как датчики IoT работают с информацией

Любые датчики собирают аналоговые данные. Такие данные непрерывные — их можно представить в виде извилистой линии, непрерывного потока информации. Передавать такие данные по кабелю или беспроводной связи нельзя — сначала сигнал нужно преобразовать в цифровые данные.

Цифровые данные — это последовательность из нулей и единиц. Чтобы преобразовать аналоговые данные в цифровые, непрерывную аналоговую линию нужно поделить на несколько отдельных участков, и каждому участку присвоить конкретное значение.

Аналоговые данные тоже можно передавать, например по радио. Но компьютеры работают только с цифровыми данными, так что их все равно придется переводить в цифру. И лучше сделать это до передачи, чтобы использовать более современные и быстрые каналы связи.

Простые аналоговые датчики не умеют преобразовывать сигнал. Чтобы получить от них информацию в цифровом виде, нужна шкала, где аналоговым значениям соответствуют цифровые.

Пример: возьмем обычный ртутный термометр. Когда температура растет, ртуть расширяется. Информация о расширении и сжатии ртути — аналоговые данные. Чтобы понять, сколько на улице градусов, нужно наложить на ртутный столбик понятную человеку шкалу. А чтобы передавать эти данные другим устройствам — подключить к термометру преобразователь с встроенной шкалой, который преобразует расширение ртутного столбика в цифровой сигнал.

Чтобы не подключать преобразователи каждый раз, придумали цифровые датчики. Они также измеряют аналоговые величины, но в них уже встроен преобразователь.

Так, электронный термометр измеряет ту же аналоговую величину, что и обычный термометр — температуру. В него встроен терморезистор — элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Преобразователь внутри термометра фиксирует сопротивление и переводит его в цифровые данные. Потом термометр высвечивает эти цифровые данные на дисплее или передает данные на сервер либо в облако.

Сейчас в IoT почти всегда используют цифровые датчики — данные с них удобнее передавать. Причем все популярнее становятся не обычные, а умные датчики.

Что такое умные датчики и зачем они нужны

Один отдельный датчик может измерять только конкретную физическую величину, например влажность. Но почти всегда для целей бизнеса или производства требуется решать более сложные задачи, чем просто измерить один показатель.

Пример: на производстве нам нужно знать точку росы — температуру, при которой влага из воздуха начнет выпадать в виде росы. Для этого нужно измерить влажность и температуру, рассчитать, при каких показателях воздух станет слишком насыщен влагой, учесть изменение разных показателей с течением времени.

Чтобы решить эту задачу, можно установить много датчиков, связать их, настроить систему для сбора данных и их анализа. А можно просто взять умный датчик точки росы. В нем есть все нужные датчики, а также процессор, который собирает, обрабатывает и анализирует данные. В итоге такой умный датчик сразу передает всю нужную информацию.

Некоторые умные датчики умеют даже принимать определенные решения. Например, датчик дыма может автоматически включить сигнализацию. Он передаст сигнализации не информацию о задымлении, а именно команду «включить», так как сам определил уровень дыма как опасный.
Покупать десяток разных датчиков, соединять их и настраивать логику обработки очень сложно. Поэтому сейчас в IoT используют в основном умные датчики, которые умеют собирать разные показатели и передавать на сервер уже первично обработанные данные.

Чем датчики IIoT отличаются друг от друга и как выбрать подходящие

Все датчики отличаются друг от друга — одни могут работать в экстремальных условиях, другие более точные, третьи дольше служат. Эти отличия влияют на цену — чем больше датчик умеет и чем больше способен выдержать, тем дороже он стоит.

Какие параметры и в каких ситуациях они важны.

Рабочая температура датчика — при какой температуре датчик может работать и показывать конкретные данные. Обычно датчики выдерживают температуру от -20°С до +30…+40°С. Если температура в помещении пониженная или повышенная, например, нужно измерять что-нибудь в морозильной камере, придется выбрать более «выносливый» датчик. Станки тоже иногда нагреваются или охлаждаются до экстремальных температур — это нужно знать и учитывать при выборе датчика.

Защищенность корпуса — насколько датчик защищен от влаги, пыли и ударов. Датчики на станки обычно требуют серьезной защиты от пыли или давления, а вот датчики в обычных помещениях обычно можно ставить и незащищенные.

Точность измерений — до каких долей датчик фиксирует величину и какая у него погрешность. Например, для датчика температуры в офисном помещении вполне хватит точности до градуса — неважно, +20°С там или +20,3°С. А вот в температуре на производстве может быть важна точность до десятых и даже сотых — тогда нужно выбирать датчики поточнее.

Диапазон измерений. Минимальное и максимальное значение, которое датчик способен зафиксировать. Например, если диапазон измерений термометра до 50°С, 60°С он покажет как 50°С — на большее датчик просто неспособен. Диапазон измерений нужно выбирать в зависимости от нужной точности и величин, которые встречаются у вас в работе.

Стабильность связи. Насколько далеко датчик способен передавать данные, боится ли сигнал от него помех и препятствий. Чем больше предприятие, чем больше в помещении помех, тем стабильнее нужно выбирать датчик. Иначе получится, что между датчиком и приемником проедет машина, и данные пропадут.

Для надежной связи есть модули, которые умеют хранить данные и передавать их другим датчикам с таким же модулем. В итоге данные сохраняются, переходят по цепочке и в любом случае попадают на сервер. К таким относят, например, модули ZigBEE.
Время безотказной работы. Как долго датчик проработает без поломок при соблюдении условий его эксплуатации: температуры, влажности, давления. Обычно длительная безотказная работа требуется, если датчик нужно установить в труднодоступном месте.

Размер и вес. Эти показатели важны, если датчик требуется установить в ограниченном пространстве или на небольшое устройство. Обычно чем датчик меньше и легче, тем он дороже.

Оригинал статьи размещен на сайте terraelectronica.ru

---

Компания «НЬЮЛЭНД технолоджи» производит датчики и контроллеры для интернета вещей. Цифровые датчики встраиваются в любые IoT-платформы.

IoT-устройства семейства Smart

Семейство IoT-датчиков и контроллеров, позволяющих реализовывать проекты по внедрению технологий Интернета вещей в любой сфере экономической деятельности человека.

Устройства семейства Smart выполняют задачи по сбору и передачи данных и могут использоваться в таких отраслях как:

• Телекоммуникации
• Производство
• Добывающая промышленность
• Коммерческие и жилые здания
• Энергетика
• Цифровое ЖКХ
• Логистика и транспорт
• Ритейл
• Smart City
• Сельское хозяйство

Контроллеры

«Абсолют:SmartSite» - контроллер для мониторинга и управления удаленными объектами и его модификации.

«Абсолют:SmartSite Light» - версия контроллера для мониторинга и управления удаленными объектами с ограниченным количество модулей, входов и интерфейсов для малых объектов хозяйствования.

«Абсолют:SmartSite Pro» - контроллер спецназначения для мониторинга и управления удаленными объектами с укрепленным защитным блоком.

Датчики

• «SmartBIN» — датчик заполненности мусорных баков и его модификации: «SmartBIN Light», «SmartBIN Pro»
• «Smart Inc» — датчик угла наклона несущих конструкций
• «SmartHatch» — датчик состояния крышки канализационного люка
• «SmartMotion» — датчик движения
• «SmartLight» — контроллер для управления мачтами освещения, а также иными объектами городского освещения
• «SmartControl» — контроллер-накладка на счетчики для фиксации и передачи данных
• «SmartMeteo» — универсальная метеостанция для различных сфер применения, собирающая требуемые данные окружающей среды и передающая информацию в центр мониторинга.