Slimme sensor opereert steeds vaker autonoom

Fysieke integratie en interactie met netwerklagen zijn cruciaal

Slimme sensoren zijn binnen de (proces)industrie al niet meer weg te denken, maar verwerven zich ook daarbuiten een steeds prominentere rol onder meer ten aanzien van gezondheid, veiligheid en duurzaamheid. 'Verwerven zich' staat er niet voor niets, aangezien dit type sensoren door geavanceerde technologieën daadwerkelijk in staat is op grond van zelfstandig verzamelde, geanalyseerde en geïnterpreteerde data intelligente beslissingen te nemen.

Hoezo slim?

Slimme sensoren zijn toestellen die onder gebruikmaking van geavanceerde technologieën als Artificial Intelligence (hierna AI), connectiviteitsopties als wifi, Bluetooth en 5G of veilige en betrouwbare ethernetverbindingen – bijvoorbeeld Advanced Physical Layer (APL), speciaal ontworpen voor slimme sensoren – in staat zijn grote hoeveelheden gegevens te verzamelen en te verwerken. Wat ze daadwerkelijk 'slim' maakt, is hun vermogen op een intelligente manier en zonder verdere menselijke interventie van die informatie gebruik te maken. De volgende aspecten zijn daarbij cruciaal.

Data-acquisitie en -verwerking

Speciale sensoren zetten fysieke parameters om in elektrische signalen, waarna interne chips of microcontrollers zorgen voor het filteren, analyseren en samenvatten van de informatie. Sommige sensoren kunnen ook zelfstandig beslissingen nemen op basis van vooraf geprogrammeerde algoritmen. Wordt daarbij gebruik gemaakt van AI, dan kunnen ze bovendien hun functionaliteit verbeteren door te leren van eerdere 'ervaringen'.

Voor het verrichten van nauwkeurige metingen en het verkrijgen van betrouwbare resultaten is de positionering van de sensoren cruciaal

Connectiviteit en interactie

Veel slimme sensoren zijn uitgerust met draadloze connectiviteitsopties als wifi, Bluetooth, Zigbee, dan wel andere protocollen voor Internet of Things (IoT). Deze draadloze connectiviteit (zie kader) stelt de sensor in staat gegevens te verzenden naar andere apparatuur, bijvoorbeeld computers of centrale servers, waar deze worden geanalyseerd dan wel geïntegreerd in grotere systemen, bijvoorbeeld een IoT-ecosysteem.

Draadloze connectiviteitsopties
Connectiviteit speelt een cruciale rol ten aanzien van de realisatie van gegevensuitwisseling binnen geavanceerde technologische systemen. Veelgebruikt in dat verband zijn:
- Bluetooth voor het verbinden van apparaten over korte afstanden;
- cellulaire connectiviteit waarbij de communicatie plaatsvindt via mobiele netwerken als 4G, LTE en 5G. Deze vorm is ook mogelijk wanneer de toestellen geen vaste locatie hebben of mobiel zijn;
- Near Field Communication (NFC), een systeem om binnen een straal van 10 cm kleine hoeveelheden informatie uit te wisselen;
- Wi-Fi (Wireless Fidelity), in gebruik voor lokale netwerken (LAN's) en het verbinden van apparaten in de nabijheid van een wifi-toegangspunt voor het Internet;
- Zigbee, een protocol voor lage datarate- en low-powertoepassingen waaronder IoT-apparatuur;
- Z-Wave, een met Zigbee vergelijkbaar protocol dat onder meer in gebruik is bij verlichtings- en beveiligingssystemen.

Stroomvoorziening

De wijze van stroomvoorziening wordt onder meer bepaald door de toegankelijkheid van stroombronnen, omgevingscondities, de vereiste levensduur en uiteraard het kostenaspect. De meest gangbare opties zijn:

• batterijen, en dan bij voorkeur lithium-ion, lithium-polymeer of alkalinebatterijen, dit vanwege hun gebruiksgemak. Bij de ontwikkeling van een sensor is de levensduur van de batterij een zwaarwegende factor;
• bedrading, bijvoorbeeld een netvoeding, een USB-verbinding of power over ethernet: APL maakt het mogelijk over bestaande tweedraadsaansluitingen zowel de sensoren te voeden als data uit te wisselen daar waar continuïteit cruciaal is, bijvoorbeeld in industriële settings;
• energieoogst-technologieën, onder gebruikmaking van kinetische energie (beweging), thermische energie (temperatuurverschillen) of elektromagnetische energie (RF-signalen). Deze optie heeft de voorkeur in energiezuinige of zelfvoorzienende settings;
• inductieve koppeling, waarbij het transport van elektrische energie plaatsvindt middels elektromagnetische inductie. Daarbij wordt door een verandering in het magnetisch veld rond een geleider een elektrische stroom opgewekt;
• zonnepanelen, in gebruik daar waar bedrading geen optie is, bijvoorbeeld in afgelegen maar zonrijke gebieden. Dat de sensoren onafhankelijk zijn van (de betrouwbaarheid van) het elektriciteitsnet komt hun levensduur ten goede.

Fysieke integratie

Het maken van slimme sensoren is al geen sinecure, en dat geldt zeker voor de fysieke integratie. Hierbij moet rekening worden gehouden met verschillende zaken.

Behuizing

Deze dient robuust te zijn om bescherming te kunnen bieden tegen externe factoren als stof, vocht en trillingen. Verder mag de behuizing geen sta-in-de-weg zijn voor onderhoudswerkzaamheden en moet deze ruimte bieden voor eventuele externe antennes of signaalversterkers.

Connectiviteit

Omdat slimme sensoren gebruik maken van uiteenlopende draadloze connectiviteitsopties, moet bij de integratie rekening worden gehouden met zaken als signaalsterkte, interferentie en dekkingsgraad. Waar nodig kunnen externe antennes of signaalversterkers de connectiviteit verbeteren. Het kunnen connecteren van bedrade oplossingen vergt extra infrastructuur, bijvoorbeeld in de vorm van speciale industriële switches.

Gegevensbeheer

De grote hoeveelheden data die moeten worden verzameld, opgeslagen, verwerkt en geanalyseerd, maken implementatie noodzakelijk van daarvoor geschikte gegevensbeheersystemen. Te denken valt daarbij aan cloud-gebaseerde platforms dan wel lokale servers.

Montage en positionering

Voor het verrichten van nauwkeurige metingen en het verkrijgen van betrouwbare resultaten is de positionering van de sensoren cruciaal; de keuze van de stroomvoorziening is daarbij een belangrijke factor.

Interactie met netwerklagen

Voor een naadloze interactie met de netwerkomgeving zijn twee factoren van belang.

Integratie in het digitale netwerk

Hierbij van belang is allereerst een robuuste netwerkarchitectuur met oog voor onder meer dekkingsgraad, bandbreedte, latentie, betrouwbaarheid, flexibiliteit en schaalbaarheid. Uiteraard moeten sensoren en de netwerkapparatuur daarbij compatibel zijn en onderling kunnen communiceren.

Tot de netwerkarchitectuur behoren verschillende systemen. Allereerst natuurlijk die nodig voor het verzamelen, opslaan, verwerken, analyseren en eventueel visualiseren van de data. Deze moeten het gebruik ondersteunen van cloud-gebaseerde platforms, edge computing – het op de plek waar de data worden gegenereerd uitvoeren van berekeningen en analyses – analysetools en dashboards.

Slimme sensoren zullen een steeds grotere impact krijgen, zeker nu ze in toenemende mate een rol gaan spelen in het dagelijks leven

Dan zijn er de systemen die verantwoordelijk zijn voor het monitoren en onderhouden van het netwerk, de aangesloten sensoren en het mogelijk maken van het regelmatig bijwerken van firm- en software. Voorbeelden daarvan zijn monitoringtools, geautomatiseerde waarschuwingssystemen en automatische updates.

Ten einde de vertrouwelijkheid, integriteit en beschikbaarheid van gegevens te kunnen (blijven) waarborgen, zijn in tijden van hacken, ransomware en andere criminele activiteiten beveiligingssystemen een must. Te denken valt daarbij onder meer aan het implementeren van toegangscontrolemechanismen en het bij de overdracht versleutelen van gegevens.

Communicatie met netwerklagen

Voor het creëren van een interoperabele omgeving is een probleemloze uitwisseling van informatie noodzaak. Dat kan op diverse niveaus.

• Cloud-connectiviteit maakt het uitwisselen van gegevens mogelijk met cloudgebaseerde diensten en platforms. Gegevens kunnen daar worden opgeslagen, verwerkt en geanalyseerd en ook krijgt de gebruiker toegang tot geavanceerde diensten en mogelijkheden.
• Fysieke connectiviteit maakt communicatie mogelijk via een fysieke verbinding tussen apparaten, bijvoorbeeld bekabeling. Voorbeelden hiervan zijn Ethernet, USB of HDMI.
• Netwerkconnectiviteit verwijst naar de mogelijkheid verbinding te maken met lokale netwerken (LAN), draadloze netwerken (WLAN), of grotere netwerken, bijvoorbeeld het Internet.
• Protocolconnectiviteit heeft betrekking op het gebruik van protocollen en standaarden om gegevensuitwisseling mogelijk te maken. Voorbeelden hiervan zijn onder meer het Internet Protocol (IP), het Hypertext Transfer Protocol (HTTP) en het Transmission Control Protocol (TCP). Een techniek in opkomst is het gebruik van Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) teneinde data vanuit verschillende lagen te distribueren.

Slimme sensoren kunnen ook deel uitmaken van een zogeheten mesh-netwerk. In dat geval communiceren sensoren onderling binnen het netwerk. Dit helpt onder meer bij het vergroten van het bereik en vermindert de afhankelijkheid van centrale apparaten of gateways.

Hoog tempo

De sensortechnologie ontwikkelt zich in hoog tempo. Door nieuwe materialen en fabricagetechnieken worden sensoren steeds kleiner en energiezuiniger, waardoor ze nog eenvoudiger zijn te integreren in (mobiele) apparatuur, systemen en zelfs kleding. Ook wordt er hard gewerkt aan multisensorische integratie waarbij sensoren door de combinatie van modaliteiten als camera's, lidar en radar in staat worden gesteld hun kennis van de omgeving te vergroten.

Van belang ook is de opkomst van de contextbewuste sensoren die in staat zijn gegevens over omgevingscondities te verzamelen en deze met behulp van AI te interpreteren in hun context. Hierdoor leren ze (ook) te anticiperen op specifieke situaties en/of omstandigheden.

Veelbelovend is het fenomeen Artificial Intelligence of Things (AIoT), de integratie van kunstmatige (AI)-technologieën in het Internet of Things (IoT). Deze combinatie biedt slimme sensoren nog meer mogelijkheden patronen te herkennen, voorspellende analyses uit te voeren en op basis daarvan intelligente beslissingen te nemen.

Een sensortechnologie in opkomst is quantum sensing. Deze techniek opent de deur richting de ultrasensitieve detectie van fysieke grootheden als zwaartekracht, magnetische en elektrische velden, en biedt perspectieven op het gebied van medische beeldvorming en kwantumcomputing.

Met medewerking van Baumer, Endress+Hauser, Sick en Vega