Các cảm biến thông minh cho phép thu thập dữ liệu môi trường tự động và chính xác hơn với ít nhiễu hơn giữa các thông tin được ghi lại chính xác. Vậy quy định về cảm biến thông minh là gì, cấu tạo, phân loại và ứng dụng được quy định như thế nào.
Mục lục bài viết
1. Cảm biến thông minh là gì?
Cảm biến thông minh được sử dụng nhiều trong tự động hóa gia đình, cảm biến y tế và nhiều ứng dụng khác hiện nay. Trong việc triển khai cảm biến thông minh, các kỹ thuật khác nhau phải được kết hợp trong thiết kế tổng thể. Các hoạt động như cảm biến, chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và kỹ thuật số sang tương tự, lấy mẫu tín hiệu và lượng tử hóa, cũng như xử lý dữ liệu là một số trong số đó. Các tính năng như tự động hiệu chuẩn, tự kiểm tra và chữa bệnh cũng là những phần quan trọng của cảm biến thông minh, phải được thực hiện.
Để thiết kế một hệ thống với chi phí thấp và hiệu suất cao, cách tiếp cận hướng đối tượng là phù hợp nhất. Trong trường hợp thiết kế hệ thống cảm biến, nếu chúng ta xem xét hiệu quả chi phí của thiết bị cảm biến thì cách tiếp cận tốt nhất là chọn cách tiếp cận mạch tích hợp một chip. Trong hầu hết các tình huống, nhà thiết kế cảm biến duy trì các phương pháp tiếp cận từ trên xuống hoặc từ dưới lên để thiết kế cảm biến. Nhưng điều này dẫn đến một hạn chế nghiêm trọng. Điều này là do các hệ thống con liên ngành có liên quan đến các cảm biến. Tuy nhiên, thiết kế hướng đối tượng mang lại bản chất của khả năng tái sử dụng. Điều này đảm bảo việc tái sử dụng các thành phần mạnh mẽ của cảm biến thông minh như bộ vi xử lý, bộ đệm bộ nhớ, đơn vị tính toán và các chương trình con, đồng thời khai thác các tính năng tự động hiệu chuẩn và tự kiểm tra. Một bộ chuyển đổi đa năng phải được thực hiện như một giao diện đầu cuối cho một số loại cảm biến.
– Cảm biến thông minh là một thiết bị lấy đầu vào từ môi trường vật lý và sử dụng tài nguyên máy tính tích hợp để thực hiện các chức năng được xác định trước khi phát hiện đầu vào cụ thể và sau đó xử lý dữ liệu trước khi chuyển nó.
Cảm biến thông minh cũng là một yếu tố quan trọng và không thể thiếu trong internet vạn vật (IoT), môi trường ngày càng phổ biến trong đó hầu hết mọi thứ có thể tưởng tượng đều có thể được trang bị một mã nhận dạng duy nhất và khả năng truyền dữ liệu qua internet hoặc một mạng tương tự. Một cách triển khai của cảm biến thông minh là các thành phần của mạng cảm biến và thiết bị truyền động không dây (WSAN) có các nút có thể lên tới hàng nghìn, mỗi nút được kết nối với một hoặc nhiều cảm biến và trung tâm cảm biến khác, cũng như các thiết bị truyền động riêng lẻ.
Tài nguyên máy tính thường được cung cấp bởi bộ vi xử lý di động công suất thấp. Ở mức tối thiểu, một cảm biến thông minh được làm bằng một bộ cảm biến, một bộ vi xử lý và một số loại công nghệ truyền thông. Tài nguyên máy tính phải là một phần không thể thiếu của thiết kế vật lý – một cảm biến chỉ gửi dữ liệu của nó để xử lý từ xa không được coi là một cảm biến thông minh.
Một cảm biến thông minh cũng có thể bao gồm một số thành phần khác ngoài cảm biến chính. Các thành phần này có thể bao gồm bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại, điều khiển kích thích, bộ lọc tương tự và bù. Một cảm biến thông minh cũng kết hợp các yếu tố do phần mềm xác định để cung cấp các chức năng như chuyển đổi dữ liệu, xử lý kỹ thuật số và giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
2. Cấu tạo cảm biển thông minh:
Một cảm biến thông minh liên kết một cảm biến cơ sở thô với các tài nguyên máy tính tích hợp cho phép xử lý đầu vào của cảm biến.
Cảm biến cơ sở là thành phần cung cấp khả năng cảm nhận. Nó có thể được thiết kế để cảm nhận nhiệt, ánh sáng hoặc áp suất. Thông thường, cảm biến cơ sở sẽ tạo ra một tín hiệu tương tự phải được xử lý trước khi nó có thể được sử dụng. Đây là lúc công nghệ tích hợp của cảm biến thông minh phát huy tác dụng. Bộ vi xử lý trên bo mạch lọc bỏ nhiễu tín hiệu và chuyển tín hiệu của cảm biến thành định dạng kỹ thuật số, có thể sử dụng được.
Cảm biến thông minh cũng chứa các khả năng liên lạc tích hợp cho phép chúng được kết nối với mạng riêng hoặc với internet. Điều này cho phép giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
– Cảm biến thông minh dùng để: Có vô số trường hợp sử dụng cho cảm biến thông minh. Chúng được sử dụng rất phổ biến trong môi trường công nghiệp và là động lực thúc đẩy Công nghiệp 4.0.
Các nhà máy thường sử dụng cảm biến nhiệt độ thông minh để đảm bảo máy móc không bị quá nhiệt và cảm biến rung động để đảm bảo máy móc không có nguy cơ bị rung. Cảm biến thông minh cũng cho phép kiểm soát quy trình, chẳng hạn như giám sát quy trình, như sản xuất một mặt hàng và thực hiện bất kỳ điều chỉnh nào có thể được yêu cầu để đáp ứng các mục tiêu về chất lượng hoặc sản xuất. Đây từng là một quy trình thủ công, nhưng các cảm biến thông minh có thể được sử dụng để tự động hóa quá trình điều khiển.
Cảm biến thông minh cũng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống an ninh hiện đại. Cảm biến hình ảnh nhiệt có thể được sử dụng để phát hiện thân nhiệt của kẻ đột nhập. Tương tự, các thiết bị như khóa thông minh, cảm biến chuyển động, cảm biến cửa sổ và cửa ra vào thường được kết nối với một mạng chung. Điều này cho phép các cảm biến bảo mật làm việc cùng nhau để vẽ nên một bức tranh toàn cảnh về tình trạng an ninh hiện tại.
3. Phân loại, ứng dụng cảm biến thông minh:
Có năm loại cảm biến thông minh chính được sử dụng trong môi trường công nghiệp. Mặc dù ngày nay có nhiều loại cảm biến cho mục đích đặc biệt được sử dụng, nhưng chúng thường dựa trên một trong năm loại cảm biến.
Cảm biến báo mức. Một cảm biến mức được sử dụng để đo thể tích không gian được sử dụng trong một thùng chứa. Đồng hồ đo nhiên liệu của xe có thể được kết nối với một cảm biến mức giám sát mức nhiên liệu trong bình.
Cảm biến nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ là một cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ của một thành phần để có thể thực hiện hành động khắc phục nếu cần thiết. Ví dụ, trong môi trường công nghiệp, cảm biến nhiệt độ có thể được sử dụng để đảm bảo máy móc không bị quá nhiệt.
Cảm biến áp suất. Cảm biến áp suất thường được sử dụng để theo dõi áp suất của khí hoặc chất lỏng trong đường ống. Áp suất giảm đột ngột có thể cho thấy rò rỉ hoặc có vấn đề về kiểm soát lưu lượng. Cảm biến hồng ngoại. Một số cảm biến hồng ngoại, chẳng hạn như cảm biến được sử dụng trong camera ảnh nhiệt hoặc nhiệt kế hồng ngoại không tiếp xúc được sử dụng để theo dõi nhiệt độ. Các cảm biến hồng ngoại khác là cảm biến quang học được điều chỉnh theo tần số cho phép chúng nhìn thấy ánh sáng trong quang phổ hồng ngoại. Các loại cảm biến này được sử dụng trong thiết bị y tế, chẳng hạn như thiết bị đo oxy xung, và trong các thiết bị điện tử được thiết kế để vận hành bằng điều khiển từ xa.
– Cảm biến tiệm cận. Cảm biến độ gần được sử dụng để phát hiện vị trí của một người hoặc vật thể có liên quan đến cảm biến. Trong môi trường bán lẻ, cảm biến khoảng cách có thể theo dõi chuyển động của khách hàng trong toàn bộ cửa hàng.
– Cảm biến thông minh khác cảm biến cơ sở như sau:
Cảm biến thông minh bao gồm Bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số nhúng (DMP), trong khi cảm biến cơ bản thì không. Về cơ bản, DMP chỉ là một bộ vi xử lý được tích hợp vào cảm biến. Nó cho phép cảm biến thực hiện xử lý dữ liệu cảm biến trên bo mạch. Điều này có thể có nghĩa là chuẩn hóa dữ liệu, lọc nhiễu hoặc thực hiện các loại điều hòa tín hiệu khác. Trong mọi trường hợp, cảm biến thông minh thực hiện xử lý kỹ thuật số chuyển đổi dữ liệu trước bất kỳ giao tiếp nào với các thiết bị bên ngoài.
Cảm biến cơ sở chỉ đơn giản là một cảm biến không được trang bị DMP hoặc các tài nguyên máy tính khác cho phép nó xử lý dữ liệu. Trong khi một cảm biến thông minh tạo ra đầu ra sẵn sàng sử dụng, thì đầu ra của cảm biến cơ sở là dạng thô và thường phải được chuyển đổi thành định dạng có thể sử dụng được.
Cảm biến thông minh thường được ưa thích hơn cảm biến cơ sở vì chúng bao gồm các khả năng xử lý gốc. Mặc dù vậy, có những tình huống sử dụng cảm biến cơ sở có thể có lợi hơn. Nếu một kỹ sư đang thiết kế một thiết bị và cần kiểm soát hoàn toàn đầu vào của cảm biến, thì có lẽ sẽ có ý nghĩa hơn khi sử dụng cảm biến cơ sở hơn là cảm biến thông minh. Cảm biến cơ sở cũng có giá thấp hơn cảm biến thông minh vì chúng chứa ít thành phần hơn.
Mặc dù các cảm biến thông minh thường được kết hợp với các thiết bị công nghiệp, nhưng IoT không thể tồn tại nếu không có các cảm biến thông minh. Tìm hiểu thêm về các trường hợp sử dụng và lợi ích của cảm biến thông minh cho IoT.
