IoTの未来を牽引する先進的なスマートセンサー

都市インフラ、工場、ウェアラブル デバイスなど、モノのインターネット (IoT) アプリケーションでは、大規模なセンサー アレイを使用してデータを収集し、インターネットを介して中央のクラウドベースのコンピューティング リソースに送信します。クラウド コンピュータ上で実行される分析ソフトウェアは、生成された大量のデータをユーザーにとって実用的な情報に変換し、現場のアクチュエータへのコマンドに変換します。

センサーは IoT 成功の重要な要素の 1 つですが、センサーは単に物理的変数を電気信号に変換する従来のタイプではありません。 IoT 環境内で技術的にも経済的にも実行可能な役割を果たすには、より洗練されたものに進化する必要がありました。

この記事では、IoT のセンサーに対する期待、つまり IoT の大型センサー アレイの特性を実現するために何をしなければならないかをレビューします。次に、メーカーが製造の改善、統合の強化、組み込みインテリジェンスによってどのように対応したかを取り上げ、現在広く使用されているスマート センサーの概念に到達します。

センサー インテリジェンスは、IoT 接続を容易にするだけでなく、予知保全、より柔軟な製造、生産性の向上に関連するさらに多くのメリットも生み出すことが明らかになるでしょう。

IoT はセンサーに何を期待していますか?

センサーは伝統的に、物理的変数を電気信号または電気的特性の変化に変換する機能的に単純なデバイスでした。この機能は重要な出発点ですが、センサーは IoT コンポーネントとして実行するために次のプロパティを追加する必要があります。

• 低コストなので、大量に経済的に導入できます

• 物理的に小さく、どんな環境にも目立たないように「消える」

• 有線接続は通常不可能であるため、ワイヤレス。

• 自己識別と自己検証

• 非常に低消費電力なので、何年もバッテリーを交換せずに動作するか、エネルギーハーベスティングで管理できます。

• 堅牢で、メンテナンスを最小限に抑えるか不要にします

• 自己診断と自己修復

• 自己校正、またはワイヤレス リンク経由で校正コマンドを受け入れる

• データの前処理。ゲートウェイ、PLC、クラウド リソースの負荷を軽減します

複数のセンサーからの情報を組み合わせて関連付けることで、潜在的な問題に関する結論を推測できます。たとえば、温度センサーと振動センサーのデータを使用して、機械的故障の開始を検出できます。場合によっては、2 つのセンサー機能を 1 つのデバイスで利用できます。他のものでは、機能がソフトウェアで結合されて「ソフト」センサーが作成されます。

メーカーの回答:スマート センサー ソリューション

このセクションでは、IoT アプリケーション向けに開発されたスマート センサーを構成要素と製造の両方の観点から見ていき、センサーに組み込まれたインテリジェンスから得られるいくつかの利点、特に自己診断と修復の可能性について検討します。

スマート センサーの内容と機能は何ですか?

IoT におけるスマート センサーへの期待について検討してきましたが、業界はどのように対応したのでしょうか?最新のスマート センサーには何が組み込まれており、何ができるのでしょうか?

スマート センサーは、測定している現実世界の変数をデジタル データ ストリームに変換してゲートウェイに送信する IoT コンポーネントとして構築されています。図 1 は、これをどのように行うかを示しています。アプリケーション アルゴリズムは、内蔵のマイクロプロセッサ ユニット (MPU) によって実行されます。これらは、フィルタリング、補正、その他のプロセス固有の信号調整タスクを実行できます。

図 1. スマート センサーの構成要素。 （画像：©Premier Farnell Ltd.）

MPU のインテリジェンスは、IoT のより中心的なリソースへの負荷を軽減するために、他の多くの機能にも使用できます。たとえば、校正データを MPU に送信して、生産上の変更に合わせてセンサーを自動的にセットアップできます。 MPU は、許容基準を超えて変動し始めた生産パラメータを特定し、それに応じて警告を生成することもできます。これにより、オペレータは致命的な障害が発生する前に予防措置を講じることができます。

必要に応じて、センサーは「例外によるレポート」モードで動作し、測定された変数値が以前のサンプル値から大幅に変化した場合にのみデータを送信できます。これにより、中央のコンピューティング リソースの負荷とスマート センサーの電力要件の両方が軽減されます。これは、センサーが電源に接続されていない場合、バッテリーまたはエネルギー ハーベスティングに依存する必要があるため、通常は重大な利点です。

スマート センサーのプローブに 2 つの要素が含まれている場合、センサーの自己診断を組み込むことができます。センサー要素の出力の 1 つで発生しているドリフトを即座に検出できます。さらに、センサーが完全に故障した場合（たとえば、短絡が原因）、プロセスは 2 番目の測定要素で続行できます。あるいは、プローブに 2 つのセンサーを含めることもでき、これらが連携してモニタリング フィードバックを向上させることができます。

スマート センサー:実用的な例

テキサス・インスツルメンツが開発したアプリケーションは、スマート・センサーの実践例と、その構成要素がどのように連携してアナログ電流と温度測定から有用な情報を生成するか、また前述の他の機能にインテリジェンスを提供するかを示しています。このアプリケーションは、同社の超低電力 MSP430 MCU シリーズのバリエーションを使用して、配電ネットワーク用のスマート障害インジケータを構築します。

障害インジケーターが適切に設置されている場合、ネットワークの障害セクションに関する情報が提供されるため、運用コストとサービスの中断が削減されます。同時に、このデバイスは危険な故障診断手順の必要性を減らすことで安全性を高め、機器の損傷を軽減します。障害インジケーターは、その位置により主にバッテリーで駆動されるため、低電力動作も非常に望ましいです。

架空送電線ネットワークの接続点に設置される障害インジケータは、送電線の温度と電流に関する測定データを、電柱に取り付けられた集線装置/端末装置に無線で送信します。コンセントレータは GSM モデムを使用してデータをセルラー ネットワークに渡し、リアルタイム情報を主局に中継します。メイン ステーションは、同じデータ パスを通じて障害インジケータを制御し、診断を実行することもできます。

メインステーションへの継続的な接続にはいくつかの利点があります。 1 つ目は、現場で障害状態を検索するのではなく、リモートで障害状態を監視できることです。スマート障害インジケータは温度と電流を常に監視できるため、メインステーションのコントローラは配電ネットワークに関するリアルタイムのステータス情報を得ることができます。したがって、電力事業者は障害箇所を迅速に特定し、電力のダウンタイムを最小限に抑え、障害が発生する前に措置を講じることもできます。メイン ステーションの作業者は、必要な間隔で障害インジケータの診断を実行し、正しく動作していることを確認できます。

図 2. MSP430 FRAM MCU に基づくスマート障害インジケータの機能ブロック図。 (画像:テキサス・インスツルメンツ)

図 2 は、TI MSP430 強誘電体ランダム アクセス メモリ (FRAM) マイクロコントローラ (MCU) に基づくスマート故障インジケータの機能ブロック図です。電流トランスデューサは、電力線電流に比例するアナログ電圧を生成します。オペアンプ (オペアンプ) は、この電圧信号を増幅およびフィルタリングします。 MCU 上のアナログ - デジタル コンバータ (ADC) は、オペアンプの出力をサンプリングします。 ADC からのデジタル ストリームは、CPU またはアクセラレータ上で実行されるソフトウェアによって分析されます。オペアンプの出力は、MCU のコンパレータにも接続されています。コンパレータは、入力レベルが所定の閾値を超えた場合に、MCU の中央処理装置 (CPU) に対してフラグを生成します。

MSP430 のコンピューティング能力により、周波数領域の電流測定分析が可能になり、以前の時間領域の方法よりも電力線の状態についてより深い洞察が得られます。高速な FRAM 読み取りおよび書き込み速度により、パターン分析のためのデータの蓄積が可能になる一方、MCU の超低電力動作モードにより、バッテリ寿命の延長動作が可能になります。

製作

IoT の可能性を最大限に発揮するには、センサーの製造方法でセンサー コンポーネントとシステムのサイズ、重量、消費電力、コスト (SWaP-C) を引き続き削減する必要があります。同じ傾向がセンサーのパッケージングにも適用される必要があります。センサーのパッケージングは現在、全体のコストとフォーム ファクターの 80% もを占めています。

スマート センサーは、微小電気機械システム (MEMS) センサー要素が CMOS 集積回路 (IC) と緊密に統合されると形成されます。これらの IC は、デバイス バイアス、信号増幅、およびその他の信号処理機能を提供します。当初、使用されていたウェーハレベル真空パッケージング (WLVP) 技術にはディスクリート センサー デバイスのみが含まれており、スマート センサーは、マルチチップ インテグレーションと呼ばれるアプローチでパッケージまたはボード基板を介してディスクリート MEMS チップを IC チップに接続することによって実現されました。改良されたアプローチでは、システム オン チップ (SoC) として知られる構造で、パッケージやボード内の配線層を使用せずに、CMOS IC とセンサー要素を直接相互接続します。ディスクリート マルチチップ パッケージングのアプローチと比較すると、SoC は通常より複雑ですが、寄生要素の削減、設置面積の縮小、相互接続密度の向上、およびパッケージ コストの削減につながります。

スマート センサー インテリジェンスのその他の利点

スマート光電センサーは、物体の構造のパターンとその変化を検出できます。これは、外部のコンピューティング要素ではなく、センサー内で自律的に発生します。これにより、処理スループットが向上し、中央プロセッサ (またはローカル PLC) の処理負荷が軽減されます。

製造の柔軟性が向上します。これは、今日の競争環境において極めて重要な利点です。インテリジェントセンサーは、製品の変更が必要になるたびに、適切なパラメータを使用してリモートでプログラムできます。生産、検査、梱包、発送は、単一単位のバッチ サイズでも大量生産価格で設定できるため、各消費者はパーソナライズされた 1 回限りの製品を受け取ることができます。

線形位置センサーからのフィードバックは、従来、システム ノイズ、信号減衰、および応答ダイナミクスに関連する問題によって妨げられてきました。これらの問題を克服するには、各センサーを調整する必要がありました。ハネウェルは、SPS-L075-HALS スマート ポジション センサーを使用したソリューションを提供しています。これらは、ASIC と一連の MR (磁気抵抗) センサーの特許取得済みの組み合わせを使用して自己校正できます。これにより、エレベーター、バルブ、機械などの移動物体に取り付けられた磁石の位置が正確かつ確実に決定されます。

MR アレイは、磁石の移動方向に沿って取り付けられた MR センサーの出力を測定します。出力と MR センサーのシーケンスによって、磁石の位置の中心に最も近いセンサーのペアが決まります。このペアからの出力は、それらの間の磁石の位置を決定するために使用されます。この非接触技術により、ダウンタイムが少なくなり、製品寿命と耐久性が向上します。自己診断機能により、ダウンタイム レベルをさらに削減できます。

これらのセンサーは、他の IoT スマート センサーの要件も満たしています。小型なのでスペースが限られている場所への設置が可能ですが、IP67 および IP69K の密閉オプションにより過酷な環境での展開が可能です。これらは、以前は必要だった追加の配線、外部コンポーネント、および接続とともに、いくつかのセンサーおよびスイッチ コンポーネントを置き換えるのに十分な機能を備えています。このセンサーは、航空宇宙、医療、産業用途で使用されています。

自己診断機能と修復機能を備えたスマート センサー

スマート センサーは、危険なガス、火災、侵入者の検出など、安全性が重要な用途にも適しています。これらの環境の条件は厳しい場合があり、メンテナンスやバッテリー交換のためにセンサーにアクセスするのが難しい場合もありますが、高い信頼性が非常に重要です。南ブルターニュ大学 Lab-STICC 研究センターのチームは、デュアル プローブと自己診断と修復が可能なハードウェアを使用することで信頼性を向上させるソリューションを開発しています。

彼らのプロジェクトの最終目標は、説明したすべての要素を、港や倉庫などのエリアでの有害ガス検出などの用途に適した単一の個別デバイスに統合することです。このプロジェクトは、内部障害を正確に特定し、信頼性とエネルギー効率の両方を向上させる修正措置を講じることができるノードに焦点を当てています。これにより、ノードの脆弱性が軽減され、メンテナンスコストが軽減されます。この設計では、このようなセンサーの限界を認識しています。つまり、バッテリーの自律性の制限、エネルギー源の信頼性の低い動作に依存するエネルギーハーベスティング、処理リソースとストレージ リソースの制限、無線通信の必要性などです。

図3. 無線センサーノードのハードウェア構成。 （画像：©Premier Farnell Ltd.）

ノードには 2 つのセンサーが装備されています。通常の動作中に、最初のシステムは環境データを取得しますが、2 つ目のシステムは、取得したデータを確認するためにユーザーによってのみ起動されます。最初のセンサーに障害が発生すると、ノードの信頼性が低下し、機能していないセンサーへの電力供給にバッテリー電力が浪費されます。ただし、ノードが最初のセンサーを切断して 2 番目のセンサーに切り替えると、エネルギーが無駄にならず、ノードの信頼性が維持されます。

したがって、プロジェクトの目的は、ワイヤレス センサー ノードのコンポーネントのハードウェア障害を検出するための、機能的および物理的テストに基づいた新しい自己診断を開発することでした。このメソッドは、どのノード コンポーネントに障害が発生したかを正確に特定し、適切な修復アクションを示すことができます。

図3に自己再構成型センサーノードのハードウェア構成を示します。そのコンポーネントには、プロセッサ、RAM/フラッシュ メモリ、環境と接続するためのアクチュエータおよびセンサー用インターフェース (IAS)、データを送受信するための無線トランシーバー モジュール (RTM)、電源スイッチ付きバッテリー (DC-DC コンバータ) が含まれます。このノードには、FPGA 構成可能なゾーンと組み合わせた Power and Availability Manager (PAM) も含まれています。 1 つ目は、エネルギー、自動診断、フォールト トレランスを最適に利用するためのインテリジェントな部分とみなされ、もう 1 つはセンサー ノードの可用性を強化します。

図 4. 自己診断センサー ノードの問題と修正措置。 （画像：©Premier Farnell Ltd.）

図 4 の表は、センサー ノードがさまざまなノードの問題にどのように対応できるかを示しています。 FPGA にはソフトコア 8051 CPU が搭載されており、パフォーマンスの向上が必要な場合、またはメイン プロセッサに障害が発生した場合にそれを置き換えるためにアクティブ化されます。 FPGA は、信頼性と低消費電力を理由に選択された Actel タイプ IGL00V2 です。ノードの残りの部分は、PIC プロセッサ、RAM メモリ、Miwi 無線トランシーバ モジュール、2 台の Oldham OLCT 80 ガス検知器、LM3100 および MAX618 電源スイッチ、およびバッテリで構成されます。

結論

この記事では、チップ メーカーや研究者が IoT のスマート センサーのニーズにどのように対応しているかを見てきました。これは、基本的なトランスデューサー機能にインテリジェンス機能と通信機能を追加することによっても実現されますが、製造の改善も伴います。 MEMS センサー要素と CMOS コンピューティング コンポーネントを単一の基板に統合することで、環境条件に対する回復力を備えたスペースに制約のあるアプリケーションに埋め込むことができる、小型で低コストのパッケージにスマート センサーを実装できます。

したがって、IoT 設計者は、有用な情報や生データを提供するインテリジェンスを備えながら、ユビキタス展開に十分な小型、安価、復元力、低電力など、必要なセンサーを調達できます。また、運用上の変更に対応するための再調整のための受信コマンドを受け入れることができるため、より柔軟で詳細な自動化も容易になります。

この記事は、イリノイ州シカゴの Newark element 14 によって寄稿されました。詳細については、 ここをクリックしてください。