Następna generacja czujników IoT

© Fotolia

Udostępnij:

 

Internet Rzeczy jest w dużym uogólnieniu siecią urządzeń wymieniających między sobą informacje bez ingerencji człowieka. Struktura o charakterze IoT oparta jest na swoistej komunikacji maszyn, oznaczanej symbolem M2M (machine-to-machine). I chociaż cała idea wydaje się z pozoru sprawą odległej przyszłości z gatunku „science-fiction”, rewolucja IoT odbywa się właśnie teraz, szczególnie zaznaczając swoją obecność w przemyśle. De facto jesteśmy świadkami czwartej rewolucji przemysłowej.

Termin Internet Rzeczy, czyli w skrócie IoT (ang. Internet of Things), został użyty po raz pierwszy w 1999 roku przez Kevina Ashtona, brytyjskiego twórcę technologii Radio Frequency Identification. Od samego początku oznaczał sieć powiązanych ze sobą wszelkich urządzeń przetwarzających dane. U podstaw leżała idea podłączenia do sieci nie tylko komputerów, ale też innych przedmiotów, produktów czy sprzętów, począwszy od telefonów (smartfonów) a skończywszy na lodówkach, sprzętach AGD czy też systemach sterujących inteligentnymi domami. Dziś twórcy IoT mają na uwadze nie tylko polepszenie komfortu życia w domach, ale także tworzenie systemów tańszych i skuteczniejszych od stosowanych obecnie na wszystkich polach i we wszystkich dziedzinach ludzkiej działalności. Dlatego z udogodnień IoT korzystają magazyny i składy towarów, firmy spedycyjne, zakłady produkcyjne czy też agencje monitorujące pogodę i klimat.



Przemysłowy IoT, zwany w skrócie IIoT (ang. Industrial Internet of Things), jest Internetem Rzeczy rozwijającym się w branżach przemysłowych. Trzeba zaznaczyć, że rozwój ten jest niezwykle szybki, ale nie oznacza to, że nie napotyka on na pewne przeszkody. Problemy wynikają m.in. ze zbyt dużej ilości danych o niezbyt wysokiej istotności, które przechodzą przez węzły IoT i są dostarczane do chmur obliczeniowych. Inne przeszkody wynikają ze zbyt dużego zużycia energii przez poszczególne elementy w architekturze IoT. Nie zmienia to jednak rosnącego dążenia nowoczesnego przemysłu do wdrażania systemów IoT na coraz większą skalę, co nie powinno dziwić, zważywszy na oczywiste korzyści, takie jak choćby optymalizacja działania poszczególnych urządzeń i maszyn w fabryce czy optymalizacja procesów w niej przebiegających.

Rola czujników w architekturze IIoT
Procesy produkcyjne są już dziś dobrze wspierane przez IIoT. W ich trakcie gromadzi się i następnie przetwarza duże ilości danych, a to właśnie analiza danych i wysnute z niej wnioski służą do optymalizacji owych procesów oraz kosztów z nimi związanych. Na obrzeżu struktur IIoT znajdują się czujniki, które w ostatnich latach cechują się rosnącą inteligencją. Czujniki IIoT są urządzeniami końcowymi zbierającymi dane, ale ponadto coraz częściej wstępnie je analizującymi i dopiero wtedy przesyłającymi dalej poprzez różnego rodzaju bramy komunikacyjne. Dane te – nadal dostarczane w ogromnych ilościach i z tego powodu nazywane Big Data – trafiają do specjalnych superjednostek analitycznych, takich jak na przykład chmury obliczeniowe.

Doskonałym przykładem obrazującym rolę czujników w strukturach IIoT jest fabryka akumulatorów sodowo-niklowych koncernu General Electric uruchomiona w 2015 r.  Zakład wyposażono w kilka tysięcy czujników rozmieszczonych na całej powierzchni fabryki, przyłączonych do ultraszybkiej sieci wewnętrznej. Dzięki temu na bieżąco monitorowane są procesy doboru odpowiednich materiałów do wyrobu produktów finalnych, temperatura spiekania ceramicznych rdzeni ogniw akumulatorowych, energia wymagana do wyprodukowania jednego akumulatora lub każdego z jego komponentów, lokalna temperatura, ciśnienie powietrza i wiele innych parametrów. Wszystkie te dane są pobierane z wielu węzłów komunikacyjnych poprzez Wi-Fi i na bieżąco analizowane w oparciu o aplikacje tabletowe zgodne m.in. z systemem Android czy też IOS.



Przyszłość czujników IIoT
Zapotrzebowanie na czujniki rośnie w tempie niemal geometrycznym, zaś oczekiwania co do ich możliwości, rozmiarów i energooszczędności również zmieniają się bardzo szybko. Już dawno nie mogą być prostymi dostawcami wiadomości o charakterze binarnym ON/OFF. Przykładem tego, co dziś jest doskonałością w świecie czujników – wyznaczającą kierunek dla przyszłych, zapewne jeszcze lepszych generacji – jest przemysłowy czujnik światła IO-Link zawierający w sobie sześć podczujników: światła otoczenia (białego), światła w podziale RGB (Red/ Green/Blue), podczerwieni oraz temperatury i mieszczący się w małej obudowie 2,5 × 2,5 mm, w której znajdują się ponadto: programowalna pamięć typu Flash, pamięć danych Flash-On-Chip, liniowe stabilizatory 3,3 i 5 V, konfigurowalne wyjścia, ochrona przed odwróceniem polaryzacji, ochrona przed zwarciami i system monitorowania uszkodzeń. Patrząc na powyższy opis, można dojść do wniosku, że czujniki przyszłości staną się wręcz samodzielnymi mikrokomputerami – i nie jest to myślenie błędne.

Zanim jednak to się stanie, nadchodzące generacje czujników IIoT muszą uporać się z kilkoma problemami. Pierwszym z nich jest wstępna selekcja danych, aby do chmury obliczeniowej trafiały tylko dane istotne, warte analizy. Już dziś taka selekcja ma miejsce w prostych układach obliczeniowych połączonych z czujnikami, lecz nie odbywa się to na pożądanym poziomie. Przyszłe czujniki będą wyposażone w autonomiczne układy, które zbierać będą tylko istotne statystycznie dane. Oznacza to obserwację trendu wychwyconego w danych na bieżąco dostarczanych układowi przez czujnik i zapisywanie informacji wyłącznie o istotnych odchyleniach od trendu traktowanego jako normę, czyli ciąg zdarzeń nieistotnych. W następnej kolejności czujniki i spięte z nimi układy będą mogły podejmować decyzje o usuwaniu części danych, jeśli zapisane odchylenia będą nie dość istotne w stosunku do trendu lub pozostałych zanotowanych odchyleń. W efekcie strumień Big Data dostarczany jednostkom obliczeniowym będzie dość mocno odchudzony, zaś jego wartość będzie wyższa niż dotychczas.

Kolejnym problemem do pokonania jest zużycie energii przez czujniki. W obecnym Przemysłowym Internecie Rzeczy oczekuje się żywotności baterii zasilających czujniki na poziomie minimum pięciu, a optymalnie dziesięciu lat. Jednak jeśli czujnik pracuje non-stop, przekazując dane w czasie rzeczywistym, taki czas wydaje się nieosiągalny. Całościowe zużycie energii przez czujnik IIoT jest zależne m.in. od jej zużycia podczas aktywnego przetwarzania danych i komunikacji z kolejnym poziomem struktury. Rozwiązania tego problemu upatruje się w przestawieniu czujników na tryb pracy ze zminimalizowaną częstotliwością przekazywania danych do bramy (załączenia następować będą wyłącznie w przypadku istotnych odchyleń od normy) oraz w zamianie źródeł energii na tańsze, np. odnawialne, takie jak światło czy wibracje. Przejście na zasilanie energią pobieraną ze światła oznacza same korzyści – czujnik można zostawić bez nadzoru w dowolnym miejscu, by monitorował np. temperaturę i wilgotność, po czym odbierać strumień danych przesyłanych choćby za pomocą protokołu Bluetooth Low Energy. Takie czujniki nadają się świetnie do monitorowania warunków otoczenia w inteligentnych domach, jak też i w fabrykach, gdzie nawet tak słabe światło, jak na poziomie 100 luksów – padające na ogniwo słoneczne o wymiarach 15 na 15 mm – jest w stanie zapewnić energię potrzebną czujnikowi do pracy. W przyszłości uwaga projektantów skupi się też na tzw. energii wolnodostępnej (np. pole elektromagnetyczne w otoczeniu), która ma przed sobą doskonałą przyszłość i która może stać się w niektórych przypadkach głównym źródłem zasilającym czujniki IIoT. Podobnie rzecz ma się z odzyskiwaniem energii z wibracji czy zmian temperatur – są to rozwiązania, które w przyszłości mają co najmniej odciążyć baterie, a być może całkowicie je zastąpić.

Wracając do wspomnianej komunikacji przy użyciu protokołu Bluetooth, należy zauważyć kolejną tendencję rozwojową czujników IIoT, czyli stopniowe przechodzenie na bezprzewodową wymianę danych między czujnikami i pozostałymi strukturami IIoT. Uwagę projektantów przykuwają bezpłatne pasma ISM, pozwalające na pracę na częstotliwościach w zakresie od około 430 MHz do 2,4 GHz. Problemem jest dziś jednak zbyt duża liczba standardów komunikacji wireless, co w przyszłości powinno zostać skutecznie rozwiązane, podobnie jak to się stało np. z gniazdami zasilania elektroniki użytkowej, które jeszcze dziesięć lat temu były inne dla każdego producenta, a dziś praktycznie wszystkie wykonane są w standardzie USB lub mini-USB.

Udostępnij:

Drukuj



Łukasz Lewczuk




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również