Datenmanipulation in intelligenten Sensoren

Intelligente Sensoren beschränken sich nicht nur auf das einfache Weiterleiten eines elektrischen Messsignals, sondern erfassen, konvertieren und verarbeiten Daten und bieten eine Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Dieser Trend hat die traditionelle Definition eines Edge-Geräts verwischt und den Begriff des äußersten Netzwerkrands mit intelligenten Sensoren hervorgebracht.

Diese intelligenten Sensoren bewältigen die Belastung der Verarbeitung, Intelligenz, Datenverarbeitung und anderer Funktionen, um die Gesamtleistung zu erhöhen und die Energieeffizienz zu verbessern. Darüber hinaus ermöglicht die lokale Rechenleistung intelligenter Sensoren eine vorausschauende Wartung, verbesserte Produktivität sowie eine flexible und reaktionsschnelle Fertigung.

Intelligente Sensor-Architektur

Es gibt drei wichtige Aspekte des intelligenten Sensordesigns – Datenerfassung, Datenverarbeitung und Datenkommunikation. Ein intelligenter Sensor umfasst zumindest ein Sensorelement, einen Mikroprozessor und eine Kommunikationstechnologie. Er enthält auch softwaredefinierte Elemente, die Datenkonvertierung, digitale Verarbeitung und Kommunikation mit externen Geräten und der Cloud bieten. Ein intelligenter Sensor kann in fortschrittlicheren Fällen verschiedene Sensortechnologien unterstützen und mehrere Messwerte verarbeiten und liefern.

Abbildung 1 stellt ein allgemeines Beispiel für die Architektur eines intelligenten Sensors bereit, welche die häufigsten Funktionen enthält. Die Signalkette in einem intelligenten Sensorknoten startet mit der Core-Sensor-Funktion. Viele von ihnen erzeugen Low-Level-Analogausgänge, welche eine präzise Signalkonditionierung erfordern, um die kritischen Informationen zu bewahren, welche sie sammeln. Signalkonditionierungsfunktionen umfassen Sensorerregung, Signalverstärkung, Antialias-Filterung, Tiefpass- und Hochpassfilterung, Linearisierung und eine oft übersehene, aber wesentliche Funktion – die Isolierung.

Abbildung 1: Intelligente Sensor-Architektur

Als Verarbeitungseinheiten können mehrere Gerätetypen verwendet werden – Mikrocontroller, SoCs und FPGAs. Die Wahl hängt von der Komplexität und Funktionalität des intelligenten Sensors ab. In intelligente Sensoren integrierte Verarbeitungseinheiten sind viel ausgefeilter und umfassen Erregerquellen, hochauflösende Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) und D/A-Wandler, universell einsetzbare diskrete I/O, schnelle Architekturen, Mathematikunterstützung und stromsparende Modi. Die eingebettete Intelligenz überwacht kontinuierlich die diskreten Sensorelemente, validiert die bereitgestellten technischen Daten und überprüft regelmäßig die Sensorkalibrierung und den Zustand. Der wesentliche Unterschied des intelligenten Sensors zum integrierten Sensor mit eingebetteter Datenverarbeitungsschaltung sind seine Intelligenzfunktionen (Selbstdiagnose, Selbstidentifikation oder Selbstanpassung (Entscheidungsfindung)). Die Verwendung eines prozessorbasierten Systems im Inneren von Sensoren kann potenziell erhebliche Vorteile gegenüber einfachen Sensordesigns bringen – bessere Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Fehlererkennung, erweitertes Power-Management, flexibler Designzyklus, zusätzliche Funktionen usw.

Intelligente Sensoren können über eine Reihe von verschiedenen Schnittstellen mit berührungslosen, optischen/induktiven Verbindungen oder „drahtlos“ über passive oder aktive Funktechnologie angeschlossen werden. Die Wahl der Schnittstelle richtet sich nach den Anforderungen und dem Bedarf, wie Stromversorgung, Reichweite und Miniaturisierung. Die Kommunikations-/Speicherfunktion unterstützt die Datenbereitstellung und Konnektivität mit IoT-Cloud-Diensten (Verschlüsselung/Sicherheit, Speicherung und Analyse). Schließlich verwaltet das Kommunikationsmodul die Kommunikation zwischen dem intelligenten Sensorsystem und externen Geräten (lokale, entfernte oder Überwachungsstationen).

Ökosystem intelligenter Sensoren

Ein Unterscheidungsmerkmal des intelligenten Sensors ist seine Rolle im breiteren Informations- und Analyseökosystem. Die Integration intelligenter Sensoren in der gesamten Lieferkette kann die Betriebskosten senken, die Ressourceneffizienz erhöhen und die Bedarfsplanung verbessern. Übertragungsstandards wie Wi-Fi, Bluetooth, NFC, RFID und andere werden dann verwendet, um diese Daten an andere Sensoren, Steuergeräte, zentralisierte Verwaltungsplattformen oder verteilte Rechenplattformen zur Datenaggregation und -analyse zu übermitteln (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ökosystem intelligenter Sensoren

Die Daten von intelligenten Sensoren werden in der Regel in einer externen Datenbank oder einer Cloud-Computing-Plattform verarbeitet und gespeichert. Normalerweise kann das Senden von Daten direkt in die Cloud auch bei großen Systemen problematisch sein, die eine Reihe von Sensoren von verschiedenen Anbietern enthalten. Diese können unterschiedliche Protokolle verwenden, um ihre Informationen zu übertragen. Der gängigere Weg, Daten aus intelligenten Sensoren zu erhalten, ist die Verwendung einer Überbrückungsvorrichtung, die als Gateway bekannt ist, in jedem Raum. Ein Gateway empfängt Daten von den Sensoren und macht sie nutzbar. Daten werden von den intelligenten Sensoren drahtlos an das Gateway übertragen. Das Gateway wandelt dann die Daten der intelligenten Sensoren um und sendet sie drahtlos über Wi-Fi und LTE oder ein kabelgebundenes Ethernet-Kabel an eine ausgewählte lokale oder Cloud-basierte Plattform.

Anstatt Daten in der Cloud zu verarbeiten und zu speichern, können Benutzer ein Dashboard mithilfe einer Anwendung lokal erstellen. Dies ermöglicht die Erstellung eines einfachen Dashboards, um die vom Gateway empfangenen Daten anzuzeigen, ohne sich dafür bei einer der Cloud-Plattformen anmelden zu müssen.

Ein Schlüsselfaktor für die umfassende Ausschöpfung des Potenzials intelligenter Sensortechnologie ist, wie sie mit der technischen Fernunterstützung verknüpft werden kann. Digitale Kommunikationsfunktionen ermöglichen es Anwendungs- und Produktspezialisten, auf Dateien zur Sensoreinstellung zuzugreifen. Eine bestimmte Sensorkonfiguration kann über das Kommunikationsprotokoll oder ein externes Sensorkommunikationstool hoch- und heruntergeladen werden. Techniker können die Sensoreinstellungen aus der Ferne an neue Anwendungsanforderungen anpassen, indem sie eine heruntergeladene Datei zur Sensoreinstellung vom Anwendungsort, Werk oder Labor auswerten. Dies ermöglicht eine Fernsimulation und -evaluierung von Sensorverhalten und -diagnose durch technische Experten, was bei der Konfiguration oder Feinabstimmung von Sensoren in der Design-In-Phase hilfreich sein kann.

Weitere Informationen zu intelligenten Sensoren und den wichtigsten Trends in der Sensorentwicklung finden Sie in unserem Whitepaper Intelligente Sensoren – Das intelligente Internet der Dinge ermöglichen.