Cảm biến sử dụng trong IIoT

Cảm biến sử dụng trong IIoT

Nền tảng IoT hoạt động và cung cấp các hoạt dạng thông minh và dữ liệu có giá trị với việc sử dụng nhiều cảm biến khác nhau. Chúng phục vụ để thu thập dữ liệu, đẩy nó và chia sẻ nó với một mạng lưới toàn bộ các thiết bị kết nối. Tất cả dữ liệu được thu thập này làm cho các thiết bị có thể hoạt động độc lập và toàn bộ hệ sinh thái ngày càng trở nên thông minh hơn.

1.1      IoT sensor – Cảm biến IoT là gì?

Cảm biến IoT có phần giống với Network Interface Cards (NIC), kết nối các máy tính thông qua Ethernet hoặc Wi-Fi. Trên thực tế, cảm biến IoT có các địa chỉ IPv6 duy nhất để tiện theo dõi trên mạng IoT. Theo đó, những cảm biến giống như hệ thống thần kinh trên các mạng IoT vì chúng phát hiện và đo lường các hiện tượng trong thế giới thực.

1.2      Nhiệm vụ chính cảm biến trong IoT

Các loại cảm biến không dây thu thập chính xác nguồn dữ liệu trong môi trường làm việc. Khi xuất hiện bất thường, thiết bị IoT này sẽ chia sẻ dữ liệu với các thành phần khác trong mạng lưới nhằm phối hợp xử lý kịp thời.

Thông thường cảm biến được lắp đặt tại khu vực có diện tích vừa và lớn nhằm giúp con người kiểm soát điều kiện môi trường tốt nhất. Chúng được lập trình sẵn để giao tiếp với máy chủ trung tâm và các cổng khác theo yêu cầu.

Ưu điểm lớn nhất của cảm biến không dây là việc bảo trì không cần duy trì thường xuyên. Bên cạnh đó, trong quá trình làm việc của cảm biến tiêu tốn rất ít điện năng. Có thể sử dụng thiết bị IoT này xuyên suốt cả năm mà không cần thay pin hoặc sạc điện thường xuyên.

1.3      Ý nghĩa của việc áp dụng thiết bị IoT vào cuộc cách mạng 4.0

Song song với nền khoa học phát triển, IoT là công nghệ được con người nghiên cứu và phát triển để phục vụ các nhu cầu của cuộc sống. Cho đến hiện nay thì công nghệ này không thể thiết ở bất kỳ lĩnh vực nào, nhất là trong sản xuất.

Cụ thể đối với các doanh nghiệp, IoT mang lại các lợi ích tuyệt vời như:

• Tận dụng máy móc thiết bị tăng 3% – 5%;
• Tăng năng suất 10% – 15%;
• Giảm thời gian ngừng hoạt động 1% – 5%;
• Giảm giá thành 15% – 30%;
• Giảm giờ làm thêm của lao động kỹ thuật 20% – 25%.

Đồng thời, nguồn dữ liệu vô tận về sản phẩm và hệ thống nội bộ được khai thác tối đa và hiệu quả so với cách hoạt động truyền thống. Từ đó, các cấp quản lý có thể nhanh chóng phát hiện ra lỗ hổng trong dây chuyền sản xuất và nhanh chóng khắc phục trước khi chúng gây ra hậu quả nghiêm trọng.

Mặc dù chưa thực sự đạt đến mức hoàn hảo tuyệt đối nhưng các thiết bị IoT đã giải quyết được phần nào khó khăn và tối ưu được hiệu quả quản lý dây chuyền, bảo trì máy móc thiết bị trong nhà máy sản xuất.

1.4      Các loại cảm biến phổ biến được dùng hiện nay

1.4.1         Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị đo áp suất (lực cần thiết để ngăn chất lỏng giãn nở) trong chất khí hoặc chất lỏng. Chúng có thể có đủ kích cỡ và hình dạng và chúng là một trong những ví dụ phổ biến nhất về cảm biến IoT chủ yếu do các ứng dụng công nghiệp đang áp dụng đầy đủ nỗ lực kết nối mới này.

Cảm biến áp suất có thể có nhiều loại khác nhau:

• Cảm biến áp suất khí quyển, có trong hầu hết các trạm thời tiết. Chúng dùng để đo sự thay đổi của áp suất khí quyển.
• Cảm biến áp suất khí có nghĩa là để theo dõi sự thay đổi áp suất trong khí, đặc biệt là trong dầu, năng lượng và các ứng dụng tiện ích.

Mặc dù không phải là bộ chuyển đổi áp suất về mặt kỹ thuật, nhưng cảm biến lực cũng là một biến thể của cảm biến áp suất và có thể là một phương pháp được ưa thích khi đo trọng lượng (ví dụ: trọng lượng động vật hoặc mức của bồn chứa hoặc silo).

Những loại cảm biến này tạo thành xương sống của cơ sở hạ tầng khí đốt và năng lượng của chúng ta bởi vì nếu không có chúng, chúng ta sẽ không thể theo dõi áp suất hệ thống. Kết nối mô-đun IoT với một trong những mô-đun này và dữ liệu của bạn đã sẵn sàng để hiển thị trên màn hình máy tính của bạn.

Ví dụ về cảm biến áp suất IoT:

• Các Long Range Wireless Pressure Sensor từ NCD (Công Nghiệp)
• Các E8PC từ Omron (công nghiệp)

1.4.2         Cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng còn được gọi là Thiết bị quang điện hoặc Cảm biến ảnh, cảm biến ánh sáng rất phổ biến. Đây là những thiết bị quang điện thụ động chuyển đổi năng lượng ánh sáng (photon) thành năng lượng điện (electron).

Tuy nhiên, có nhiều điều đối với các thiết bị này hơn là nguyên lý hoạt động của chúng. Cũng giống như cảm biến áp suất, cảm biến ánh sáng có thể phục vụ mọi mục đích và được sử dụng nhiều trong kiểm soát độ sáng, an ninh và thậm chí là nông nghiệp.

Theo dõi sự thay đổi của ánh sáng rất hữu ích cho việc theo dõi thời tiết cũng như các ứng dụng trong nông nghiệp, nơi đo ánh sáng được hấp thụ bởi đất là chìa khóa.

Các cảm biến này cũng có thể là một giải pháp thay thế đơn giản, hiệu quả về chi phí cho các cảm biến chuyển động, cho phép phát hiện sự hiện diện, chẳng hạn như trong phòng khách sạn, nhà kho hoặc hành lang.

Seeed Studio gần đây đã xuất bản một bài báo chuyên sâu về chủ đề cảm biến ánh sáng, với các ví dụ phần cứng liên quan từ dòng sản phẩm của riêng họ.

Ví dụ về cảm biến ánh sáng IoT:

• Các thông minh Cảm biến từ Enlighted (Consumer & Doanh nghiệp)
• Các Long Range Ambient Light Sensor từ NCD (Công Nghiệp)

1.4.3         Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm cũng phổ biến và được sử dụng rộng rãi. Chúng thường được đóng gói cùng nhau trong các mô-đun IoT được tạo sẵn.

Một mặt, cảm biến nhiệt độ đo lượng nhiệt năng trong một nguồn và chúng dùng để đo sự thay đổi nhiệt độ. Mặt khác, cảm biến độ ẩm đo lượng hơi nước trong khí quyển của nhiều loại khí khác nhau.

Giám sát nhiệt độ là một trường hợp sử dụng phổ biến trong các cơ sở công nghiệp, nơi máy móc cần hoạt động ở một nhiệt độ nhất định trong thời gian dài.

Các trường hợp sử dụng khác thường thấy trong cơ sở khách hàng của chính mình là:

• Tuân thủ An toàn Thực phẩm
• Giám sát chuỗi lạnh trong Chăm sóc sức khỏe và Khách sạn
• Quản lý kho hàng & hàng tồn kho
• Giám sát hệ thống HVAC

Độ ẩm cũng thường được theo dõi cùng với nhiệt độ. Việc đo lường trước đây rất hữu ích với hệ thống sưởi, điều hòa không khí, trạm thời tiết và thậm chí cả độ ẩm của đất.

Ví dụ về cảm biến nhiệt độ và độ ẩm IoT:

• Các Sentrius ™ RS1xx từ Laird (công nghiệp)
• DHT-22 2302 không nhãn hiệu (DIY)

1.4.4         Cảm biến gia tốc & con quay hồi chuyển

Chúng ta thường thấy con quay hồi chuyển và gia tốc kế là những cảm biến cho phép điện thoại thông minh của bạn cảm nhận được điện thoại của bạn đang thẳng đứng hay nằm ngang và chúng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế trò chơi di động.

Về ứng dụng IoT, những cảm biến nhỏ này cũng phổ biến như những cảm biến được sử dụng trong điện thoại của bạn. Mặc dù chúng có sự khác biệt, hầu hết các chip gia tốc kế cũng đi kèm với một con quay hồi chuyển.

Sự khác biệt giữa hai là như sau:

Con quay hồi chuyển là một thiết bị sử dụng lực hấp dẫn của Trái đất để giúp xác định phương hướng. Thiết kế của nó bao gồm một đĩa quay tự do được gọi là rôto, được gắn trên một trục quay ở trung tâm của một bánh xe lớn hơn và ổn định hơn. Khi trục quay, rôto vẫn đứng yên để chỉ ra lực hút trọng tâm và do đó hướng xuống.

Mặt khác:

Gia tốc kế là một thiết bị nhỏ gọn được thiết kế để đo gia tốc phi trọng trường. Khi đối tượng mà nó được tích hợp vào đi từ trạng thái dừng đến bất kỳ vận tốc nào, gia tốc kế được thiết kế để phản ứng với các rung động liên quan đến chuyển động đó.

Trong IoT, gia tốc kế là trọng tâm của các cảm biến rung động có thể biến dữ liệu gia tốc thành tần số rung (đó là Gs thành Hz!), Thường được sử dụng để phát hiện các hoạt động máy công nghiệp bình thường.

Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để xác định hướng di chuyển của một vật thể được theo dõi bằng GPS, cũng như hướng gió trong các ứng dụng thời tiết và năng lượng sạch.

Ví dụ về cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển IoT:

• Các KX Series của Gia tốc kế từ Kionix (Công Nghiệp)
• Các ADXL335 tốc từ Analog Devices (DIY)

1.4.5         Cảm biến tiệm cận & chuyển động

Là một loại thiết bị rất phổ biến, cảm biến khoảng cách được sử dụng trong vô số ứng dụng IoT. Cảm biến tiệm cận có thể phát hiện sự hiện diện của các vật thể gần đó mà không cần tiếp xúc vật lý bằng cách phát ra trường điện từ hoặc chùm bức xạ điện từ (ví dụ hồng ngoại) và tìm kiếm những thay đổi trong trường.

Còn được gọi là cảm biến phạm vi, một số thiết bị này sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách giữa chúng và đối tượng được phát hiện. Một vài ví dụ tuyệt vời trong số này được sản xuất bởi Maxbotix.

Cảm biến tiệm cận có thể bị nhầm lẫn với cảm biến chuyển động, nhưng chúng không giống nhau. Mặc dù cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện chuyển động bằng cách đo khoảng cách từ một vật thể, nhưng cảm biến PIR (Pyro Electro InfraRed) là một giải pháp thay thế chuyên dụng, chi phí thấp tốt để phát hiện chuyển động vì đầu ra của chúng chủ yếu là nhị phân: 1 hoặc 0.

Chúng thường được sử dụng trong máy dò chuyển động có thể được sử dụng cho bất kỳ việc gì từ bật đèn đến cảnh báo cảnh sát trong trường hợp nghi ngờ chuyển động.

Ví dụ về cảm biến tiệm cận và chuyển động IoT:

• Các Long Range Wireless tiệm cận & Light Sensor từ NCD (Công Nghiệp)
• Nhiều cảm biến tiệm cận khác nhau từ Seeed (DIY & Modular)

1.4.6         Cảm biến dòng chảy & khí

Cảm biến lưu lượng là thiết bị được sử dụng để đo tốc độ dòng chảy hoặc số lượng của chất lỏng hoặc khí chuyển động và chúng có phần liên quan đến cảm biến khí là thiết bị điện tử phát hiện và xác định các loại khí khác nhau.

Cảm biến lưu lượng bao gồm tất cả các loại thiết bị được sử dụng để đo lưu lượng chất lỏng và khí. Các trường hợp sử dụng bao gồm giám sát quy trình công nghiệp, HVAC, cũng như các ứng dụng quản lý khí và nước. Đối với cảm biến khí cũng vậy.

Đo sáng thông minh là một trong những lĩnh vực bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi cảm biến lưu lượng. Ở đây, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm được ghép nối với các mô-đun IoT để gửi dữ liệu đến một vị trí từ xa.

Điều này rõ ràng cho thấy xu hướng mạnh mẽ trong đo sáng thông minh cũng như sự gia tăng tổng thể về việc sử dụng giữa các loại cảm biến này cho mục đích công nghiệp.

Nhìn vào cảm biến khí cụ thể, đây là những thiết bị cồng kềnh truyền thống, chỉ gần đây mới chuyển sang khả năng thích ứng công suất thấp để theo dõi những thứ như chất lượng không khí trong môi trường địa phương.

Ví dụ về cảm biến dòng chảy và khí IoT:

• Các cảm biến lưu lượng khác nhau từ Sensirion (Công nghiệp)
• Các loại cảm biến khí khác nhau từ các cảm biến thông số (DIY & Modular)

1.4.7         Cảm biến âm thanh

Cảm biến âm thanh không được sử dụng nhiều như các loại cảm biến khác, nhưng vẫn đáng được đề cập do các đặc tính độc đáo và các trường hợp sử dụng thú vị.

Trước hết, cảm biến âm thanh là gì?

Cảm biến âm thanh được định nghĩa là một mô-đun phát hiện sóng âm thông qua cường độ của nó, chuyển nó thành tín hiệu điện. Khi thiết bị phát hiện sự thay đổi về cường độ, thiết bị có thể gửi dữ liệu trở lại trang tổng quan của bạn.

Cảm biến âm thanh đơn giản như cảm biến được cung cấp từ Seeed Studio khá rẻ và chúng có thể giúp bạn tìm ra một số trường hợp sử dụng khác nhau. Ví dụ, phát hiện sự hiện diện của âm thanh trong một căn phòng yên tĩnh khác.

Ngoài ra còn có các máy ghi âm không chỉ phát hiện âm thanh mà còn ghi lại nó ngay khi cường độ thay đổi. Điều đó đặc biệt hữu ích trong bảo mật.

Cuối cùng, một trường hợp sử dụng nâng cao liên quan đến cái gọi là Máy đo mức độ âm thanh / tiếng ồn; thiết bị đánh giá tiếng ồn trên một dải tần số.

Điều này cho phép các ứng dụng đo tiếng ồn xung quanh phức tạp hơn.

Ví dụ về cảm biến âm thanh IoT:

• SoundSensor được đặt tên thích hợp từ SensorTeam (Xây dựng)
• Các Sound & Noise IOT Sensor từ IoTsens (Smart Cities)

1.4.8         Cảm biến độ ẩm

Cảm biến độ ẩm rất quan trọng đối với các trường hợp sử dụng trong nông nghiệp thông.

Cảm biến độ ẩm là chìa khóa cho những tiến bộ gần đây trong nông nghiệp, cho phép nông dân liên tục theo dõi sức khỏe của đất. Như AgriTech Tomorrow đã chỉ ra, điều kiện đất thay đổi liên tục trong suốt mùa trồng trọt.

Hầu hết các cảm biến độ ẩm là một điểm, có nghĩa là chúng đo độ ẩm trong đất ở một vị trí duy nhất, cố định.

Loại cảm biến này nên được lắp đặt ở nhiều vị trí trên cánh đồng trồng trọt để tăng độ chính xác của các phép đo.

Độ sâu cũng đóng một vai trò quan trọng ở đây vì tác động của tưới có thể mạnh hơn hoặc yếu hơn ở các mức độ khác nhau. Thiết bị đo độ ẩm thường được trang bị các đầu dò dài đi sâu vào đất và đo độ ẩm ở các độ sâu khác nhau.

Ví dụ về cảm biến độ ẩm IoT:

• Các Wireless Soil Moisture Cảm biến từ Sensoterra (Nông nghiệp)
• Các Long Range IOT Soil Moisture Sensor từ NCD (Nông nghiệp)

1.4.9         Cảm biến hình ảnh

Cảm biến là một thiết bị thu thập thông tin về thế giới vật chất để cung cấp một tập hợp các phép đo theo thời gian. Theo logic tương tự, chúng ta có thể coi máy ảnh như một cảm biến quang học / hồng ngoại 2 chiều cung cấp ma trận các phép đo theo thời gian.

Máy ảnh được sử dụng rộng rãi như một cơ chế cảm biến, từ ứng dụng đếm số người đến nhận dạng mẫu hình do AI hỗ trợ.

Ví dụ, một điểm độc đáo về công nghệ này là công nghệ PigVision của Asimetrix: một cảm biến dựa trên hình ảnh đo trọng lượng lợn trong thời gian thực dựa trên các mô hình AI đã được đào tạo.

Ví dụ về cảm biến hình ảnh IoT:

• Các OS02F10 từ OmniVision (công nghiệp)
• Dòng cảm biến hình ảnh Pregius của Sony (Công nghiệp)

1.4.10         Cảm biến từ tính

Cảm biến từ tính được sử dụng trong cả ứng dụng tiêu dùng và công nghiệp để phát hiện các vật thể kim loại lớn như ô tô, bảng điều khiển, nhà ở, v.v. Các thiết bị này phát hiện những thay đổi và nhiễu loạn trong từ trường như thông lượng, cường độ và hướng.

Có ba loại cảm biến từ tính thường được sử dụng trong IoT:

• Cảm biến TMR (Tunneling Magnetoresistive)
• Công tắc Reed
• Cảm biến hiệu ứng Hall.

Cảm biến TMR ngày càng trở nên phổ biến để đo chuyển động cơ học và chuyển động trong các ứng dụng công nghiệp, ô tô (ví dụ như bãi đậu xe tự động và ô tô tự lái) và các ứng dụng tiêu dùng.

Công tắc sậy – là một công tắc điện hoạt động bằng từ trường. Các công tắc này có thể được kích hoạt bởi một cuộn dây điện từ và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống an ninh để kiểm soát dòng điện và kích hoạt hành động trong trường hợp phát hiện ra sự hiện diện của một vị khách không mong muốn.

Cuối cùng, chúng ta có cảm biến hiệu ứng Hall, một thiết bị được sử dụng để đo độ lớn của từ trường. Điốt có một bài báo tuyệt vời giải thích vai trò của chúng trong IoT.

Ví dụ về cảm biến từ tính IoT:

• Cảm biến từ tính tùy chỉnh từ HyperTech (Theo dõi tài sản)
• Dòng CT8xx từ Công nghệ Crocus (Lĩnh vực năng lượng)

1.4.11         Cảm biến chất lượng không khí

Cảm biến chất lượng không khí có thể được sử dụng trong các cơ sở công nghiệp và tiêu dùng.

Điều đầu tiên chúng ta nghĩ đến khi nói về chất lượng không khí là ô nhiễm. Nhưng làm thế nào để chúng ta đo lường nó? Bằng cách sử dụng cái gọi là cảm biến Vật chất hạt. Chúng chủ yếu bao gồm hai loại dựa trên kích thước của các hạt được tìm thấy trong không khí:

• PM10
• PM2.5

Cảm biến vật chất dạng hạt có thể phát hiện ra vật chất trước đây phổ biến hơn vì các hạt này lớn hơn (thường là 10 micromet, do đó có tên như vậy). Việc phát hiện các hạt mịn có kích thước từ 2,5 micromet trở lên ngày càng khó hơn.

Cảm biến vật chất hạt công nghiệp của Sensirion và các nhà sản xuất khác có thể phát hiện các hạt mịn này và giúp thực hiện các hệ thống chất lượng không khí.

Như đã thảo luận trong các phần trước, cảm biến khí cũng đóng một vai trò rất lớn trong việc nhận biết những thay đổi trong không khí và chúng thường được nhúng cùng với cảm biến PM.

Ví dụ về cảm biến chất lượng không khí IoT:

• Các cảm biến chất lượng không khí khác nhau từ ams (Công nghiệp)
• Màn hình hạt PM2.5 thời tiết xung quanh (Nhà thông minh)

1.4.12         Cảm biến chất lượng nước

Nước là thứ mà hầu hết chúng ta đều coi thường, nhưng nhiều người dân trên thế giới không được tiếp cận rõ ràng với nguồn tài nguyên quan trọng này. Và nếu họ làm vậy, chất lượng của nó có thể kém hoặc hoàn toàn độc hại. Đó là nơi các cảm biến chất lượng nước xuất hiện.

Giống như phần trước, có một số biến số đóng góp vào chất lượng nước, một số biến số có thể được đo vật lý thông qua cảm biến như:

• Cảm biến pH
• Cảm biến độ đục
• Cảm biến ORP (Tiềm năng khử oxy hóa)

Ccảm biến pH đóng một vai trò rất lớn trong việc giám sát chất lượng nước bằng cách xem xét độ kiềm của nó. Cảm biến độ đục đóng vai trò tương tự bằng cách đo lượng ánh sáng bị phân tán bởi chất rắn lơ lửng trong nước. Ít ánh sáng hơn có nghĩa là chất lượng thấp hơn.

Cuối cùng, cảm biến tiềm năng oxy hóa-khử đo khả năng của một dung dịch hoạt động như một chất oxy hóa hoặc khử. Như Vernier đã chỉ ra, chúng có thể được sử dụng trong bể bơi để đo khả năng oxy hóa của clo.

Ví dụ về cảm biến chất lượng nước IoT:

• Các Signet 2724-2726 từ Georg Fischer (Công Nghiệp)
• Các mô-đun chất lượng Waspmote nước từ Libelium (Nhiều báo)