Intelligente passive Sensoren bieten neue Möglichkeiten für die allgegenwärtige Erfassung und überwachen Druck, Temperatur, Feuchtigkeit oder Entfernung, wodurch herkömmliche intelligente Sensoren wie Volumen, Stromverbrauch und Kosten nicht berücksichtigt werden können. Gerätedesigner können nun intelligente Systeme und das Internet der Dinge auf Gebiete und Anwendungen ausbauen, die in der Vergangenheit schwer zugänglich waren, ohne Größe- oder Preisbeschränkungen.

Die zunehmende Abhängigkeit von Technologien und dem Internet der Dinge (IoT) treibt die Nachfrage nach Sensoren, die einfach von kleinen bis großen Mengen eingesetzt werden können und niedrige Skalierungskosten und wartungsfreie Leistungen bieten.

Der technologische Fortschritt ermöglicht eine Verbindung zwischen vielen verschiedenen Gerätetypen. Die Vernetzung, die mit Smartphones begann, hat sich zu einer Vernetzung von Temperaturreglern, Haushaltsgeräten, Fahrzeugen und anderen sogenannten IoT-Geräten entwickelt. Das Internet der Dinge besteht aus vielen Geräten, die Daten über verschiedene Schnittstellen hin und her übertragen, und drahtlose Cloud-Schnittstellen sind eine gängige Schnittstelle. Da die Anzahl der vernetzten Geräte steigt, steigt auch die Nachfrage nach mehr Daten.

Es gibt viele Quellen, die Daten generieren, und elektronische Sensoren werden häufig verwendet, um Daten von verbundenen Geräten zu sammeln. Ein Sensor ist ein Gerät, das physikalische oder umweltfreundliche Eigenschaften wie Temperatur und Feuchtigkeit in elektrische Signale umwandelt.

Die Nachfrage nach Daten treibt das Wachstum der Märkte für verschiedene Arten von Sensoren an, wie Temperatur-, Feuchtigkeit-, Druck- und Entfernungssensoren, die den Systemen Daten zur Verfügung stellen, die sie für ihre Arbeit benötigen. Aufgrund der dynamischen Verarbeitung von Daten aus verschiedenen Kanälen durch das Internet der Dinge werden elektronische Sensoren immer beliebter. Laut einer Studie von Markets and Markets wird der Sensormarkt im Jahr 2022 voraussichtlich 38 Milliarden US-Dollar übersteigen. Die Notwendigkeit, mehr Sensordaten von mehr Standorten zu erhalten, wird die Entwicklung neuer Sensoren vorantreiben, die kleiner sind, Stromverbrauch und Kosten niedriger sind und einfach in großen Mengen und auf engen Räumen eingesetzt werden können.

Elektronische Sensorstruktur

Traditionelle elektronische Sensoren enthalten unabhängig vom Design die gleichen Funktionsmodule. Das Kernmodul des Sensors ist das eigentliche Sensorelement. Ein Sensorelement ist Teil eines Sensors, der auf die Sensorumgebung reagiert und die Umgebungsbedingungen in elektrische Parameter umwandelt. Neben den Sensorkomponenten benötigen die Sensoren auch Stromversorgung für die elektronischen Komponenten und die Datenverarbeitung und die Verbindungsschaltung im Sensor. Die meisten elektronischen Sensoren umfassen Sensorkomponenten, Leistungsmodule und Datenverarbeitungsmodule, die sich an jedem Sensorknoten befinden. Da mehr Sensordaten benötigt werden, werden die Kosten für die Skalierung auf mehrere Sensorknoten zu einem Hindernis für einige Anwendungen. Die physische Größe der Geräte, die für die Stromversorgung und Kommunikationsmodule der Sensoren erforderlich sind, beschränkt die Auswahl kleiner Sensoren, während batteriebetriebene Sensoren Wartungs- und Umweltprobleme mit sich bringen, die auch den Einsatz der Sensoren in bestimmten Anwendungen einschränken. Kosten und Größe herkömmlicher elektronischer Sensoren beschränken die Erweiterung von Sensornetzwerken oder den Einsatz von Mehrsensorsystemen oder Einweg-Sensoren, die intelligente Erkennungen durchführen, und behindern die Weiterentwicklung des IoT.

Daher ist eine Alternative erforderlich, die sich idealerweise nicht auf schwere und teure Batterien, Mikrosteuereinheiten (MCUs) und zugehörige Schaltungen verlassen muss. Viele angeschlossene Sensoren befinden sich die meiste Zeit im Standby- oder Schlafmodus, um die Batteriedauer zu verlängern und benötigen Strom und Intelligenz nur, wenn sie aufgewacht werden, um kleine Pakete mit dem Hostsystem auszutauschen. Wenn die Sensoren vorübergehend von einer externen Stromversorgung versorgt werden können und der größte Teil der Datenverarbeitung extern erfolgt, kann ein kostengünstiges Sensornetzwerk erweitert werden und Innovationen wie Mehrsensoren oder Einwegsensoren wirtschaftlich machbar gemacht werden.

Es gibt eine Technologie, die eine Lösung bieten kann: Der drahtlose passive Sensor kann bereits vom Speicher geladen werden, über einen drahtlosen Leser gefragt oder überschrieben werden und die Energie im vom Leser übertragenen RF-Feld aktiviert werden. Traditionelle RFID-Kommunikationsstandards sind bewährt, stabil und zuverlässig und bieten eine leistungsstarke Plattform für die Entwicklung neuer intelligenter passiver Sensoren, die die Sensorfunktionen von den Strom- und Steuerschaltungen trennen, die für herkömmliche elektronische Sensoren erforderlich sind.

Intelligente passive Sensoren Intelligente passive Sensoren nutzen das Potenzial von RFID-Technologien und -Standards, um den einfachen und energieeffizienten drahtlosen Datenaustausch zu unterstützen. Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Funktionskomponenten eines intelligenten passiven Sensors, einschließlich Antennen, Stimulationsdetektoren und Sensorblock-Steuerungs-ICs, die passive Sensor-Etikettierungsfunktionen durch die Integration einer gedruckten Antenne und einer Stimulationsdetektionsschaltung sowie eines HF-ICs ermöglichen.

Intelligente passive Sensoren kommunizieren mit dem branchenstandard-UHF-Gen-2-Protokoll und können mit einem geeigneten RFID-Leser gelesen werden. Einige stationäre oder handtragende kommerzielle Lesegeräte haben die Etiketten- und Funktionsprüfung bestanden. Das Ökosystem der intelligenten passiven Sensoren von Anselmer Semiconductor bietet einen batteriebetriebenen tragbaren Lesegerät mit integrierter Antenne, grafischer Benutzeroberfläche und IoT-Funktionen, die als Zentrum für die Erfassung von Daten über die Sensoretikette dienen.

Wenn der Leser die Kommunikation startet, erkennt der selbstregulierende Sensor-IC Feuchtigkeit oder Druck, indem er Impedanzänderungen in der Stimulationsschleife messen und diese Daten zusammen mit digitalen Temperaturdaten von Temperatursensoren auf dem Chip an den Leser sendet. Der Sensor überwacht mehrere Parameter, darunter die Entfernung, Bewegung oder Anwesenheit des Empfangssignals (RSSI) sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Jeder Sensor verfügt außerdem über einen programmierbaren EPC-Code als Identifikation des *. Das RFID-Frontend kompensiert automatisch Umweltänderungen, um Feuchtigkeit, Druck und andere Parameter zu erfassen.

Abbildung 1: Ein intelligenter passiver Sensor kombiniert die RFID-Technologie mit passiven, MCU-freien * Sensorblöcken.

Typische Anwendungen

Kostengünstige oder einmalige passive Sensoren profitieren von einer Vielzahl wichtiger Anwendungen. Durch die Überwachung von Temperaturen an mehreren Stellen in Rechenzentrumsserverracks oder an Hochleistungsschalteranschlüssen in industriellen Stromschaltern können beispielsweise Temperaturänderungen überwacht werden und ungewöhnlich erhöhte Temperaturen schnell für eine vorbeugende Wartung oder Korrekturmaßnahmen erkannt werden. Intelligente passive Sensoren, die direkt an Komponenten wie Metallgehäuse, Gerätekapseln oder Kühler angeschlossen sind, reagieren auf regelmäßige Anfragen von Lesern im gesamten Sensor-RFB.

Die in Abbildung 2 gezeigte Überwachungsstrategie basiert auf intelligenten passiven Sensoren und an die Cloud angeschlossenen RFID-Leser/Transceiver, die eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit bieten, Geräte zu schützen als andere Methoden wie künstliche Temperaturmessung oder Wärmebildgebung.

Abbildung 2: Mehrere intelligente passive Sensoren überwachen kostengünstig die Temperatur an mehreren Orten.

Passive intelligente Sensor-Etiketten eignen sich auch für digitale Landwirtschaftsanwendungen, wie z. B. die Prüfung von Tierkrankheiten oder die Überprüfung des Eisprungszyklus von Tieren in Tierüberwachungsanwendungen. Landwirte verwenden auch RFID-Tags für die Identifizierung und Verfolgung von Tieren, und Industriestandards für injizierbare Etiketten sind bereits etabliert. Durch erhöhte Investitionen in Geräte oder Systeme helfen intelligente passive Sensoren zur Verbesserung der Tiergesundheit und zur Steigerung der Produktion in der Landwirtschaft.

Auch die Verwendung intelligenter passiver Sensoren zur Feuchtigkeits- oder Druckprüfung wird bereits in medizinischen, industriellen Tests sowie in Fahrzeugkomfort und -sicherheit eingesetzt. Im medizinischen Bereich können Feuchtigkeitssensoren unkompliziert an Krankenhausbettwäsche befestigt werden, um die Belegungsrate und den Bettraum des Patienten zu erkennen, und nicht-invasive Temperatursensoren können an die Haut des Patienten angeschlossen werden und drahtlos mit einem nahe gelegenen Leser überwacht werden.

Zu den weiteren Anwendungen zählen Leckstests in der Automobilindustrie: Die schnelle und einfache Installation eines intelligenten passiven Sensors in ein Fahrzeug vor Beginn der Leckstests entlastet eine mühsame menschliche Erkennung und vereinfacht gleichzeitig die Datenerfassung und -analyse.

Darüber hinaus können Feuchtigkeits- und Druckerfassungen sowie zusätzliche Entfernungserfassungen, die den Zustand des Sicherheitsgurtes erkennen, eine intelligentere Fahrzeugplatzbehaltungserfassung ermöglichen als herkömmliche Sitz- oder Airbag-Systeme. Intelligente passive Sensoren unterscheiden den menschlichen Körper von Objekten, die auf dem Sitz platziert werden, und können die Erkennung leicht auf die hinteren Passagiersitze und abnehmbare Sitze mit wenigen zusätzlichen Kosten erweitern.

Intelligente passive Sensoretiketten ermöglichen eine Vielzahl anderer Anwendungen, von der Hausautomatisierung und vernetzten Fahrzeugen bis hin zur industriellen Kontrolle, zur Qualitätsprüfung, zur Landwirtschaft, zum Gesundheitswesen, zum Bauwesen und zum Lieferkettenmanagement, sowie zur Erkennung von Leckagen, zur Erfassung von Platzbesetzungen und zur Überwachung von Temperatur- oder Feuchtigkeitsniveaus.

Zusammenfassung

Intelligente passive Sensoren bieten neue Möglichkeiten für die allgegenwärtige Erfassung, indem sie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit oder Entfernung überwachen und die Probleme der herkömmlichen intelligenten Sensoren wie Volumen, Stromverbrauch und Kosten eliminieren. Gerätedesigner können nun intelligente Systeme und das Internet der Dinge auf Gebiete und Anwendungen ausbauen, die in der Vergangenheit schwer zugänglich waren, ohne Größe- oder Preisbeschränkungen.