Inteligentne czujniki nie są już ograniczone tylko do przekazywania sygnału elektrycznego — gromadzą, konwertują i przetwarzają dane oraz zapewniają komunikację między maszynami. Ten trend spowodował rozmycie tradycyjnej definicji urządzenia brzegowego i dał początek pojęciu „ekstremalnej krawędzi” wykorzystującej inteligentne czujniki.

Architektura inteligentnych czujników

Konstrukcja inteligentnego czujnika wiąże się z trzema ważnymi aspektami — gromadzenie danych, przetwarzanie danych i komunikacja. Na inteligentny czujnik składają się, co najmniej, następujące komponenty: element czujnikowy, mikroprocesor i rozwiązanie technologii komunikacyjnej. Składają się na niego także elementy definiowane oprogramowaniem, które zapewniają konwersję danych, przetwarzanie cyfrowe oraz komunikację z urządzeniami zewnętrznymi i chmurą. W bardziej zaawansowanych wariantach inteligentny czujnik może być kompatybilny z różnymi technologiami wykrywania, a także obsługiwać i dostarczać wiele wartości pomiarowych.

Rysunek 1 przedstawia ogólny przykład architektury inteligentnego czujnika, wyposażonego w najbardziej typowe funkcje. Łańcuch sygnałowy w węźle inteligentnego czujnika rozpoczyna się od podstawowej funkcji czujnika. Wiele z nich wytwarza analogowe sygnały wyjściowe niskiego poziomu, które wymagają precyzyjnego kondycjonowania sygnału w celu zachowania gromadzonych przez nie informacji o krytycznym znaczeniu. Funkcje kondycjonowania sygnału obejmują wzbudzanie czujnika, wzmacnianie sygnału, filtrowanie antyaliasingowe, filtrowanie dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe, linearyzację oraz często pomijaną, ale istotną funkcję — izolację.

Figure 1: Smart Sensor Architecture

Jako jednostki przetwarzające można wykorzystać kilka typów urządzeń: mikrokontrolery, układy SoC i FPGA. Wybór każdego z nich zależy od złożoności i funkcjonalności konkretnego inteligentnego czujnika. Jednostki przetwarzające zintegrowane z inteligentnymi czujnikami są znacznie bardziej zaawansowane i składają się na nie źródła wzbudzania, przetworniki analogowo-cyfrowe (A–D) i cyfrowo-analogowe (D–A) o wysokiej rozdzielczości, dyskretne wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia, szybkie architektury, obsługa funkcji matematycznych i tryby niskiego poboru mocy. Wbudowany układ inteligentny stale monitoruje dyskretne elementy czujnika, sprawdza poprawność dostarczonych danych technicznych oraz okresowo weryfikuje kalibrację i stan czujnika. Zasadniczą różnicą między czujnikiem inteligentnym a czujnikiem zintegrowanym z wbudowanym układem przetwarzania danych są jego możliwości na poziomie „inteligencji” (funkcje autodiagnostyki, samoidentyfikacji lub samoadaptacji (podejmowania decyzji)). Zastosowanie wewnątrz czujników systemu opartego na procesorze może potencjalnie przynieść znaczące korzyści w porównaniu z prostymi konstrukcjami czujników, czyli większą dokładność, niezawodność, lepsze wykrywanie błędów, zaawansowane zarządzanie energią, elastyczny cykl projektowania, dodatkowe funkcje itp.

Inteligentne czujniki można podłączać za pomocą szeregu różnych interfejsów wykorzystujących połączenia bezstykowe, optyczne/indukcyjne lub "bezprzewodowo" za pomocą pasywnej lub aktywnej technologii radiowej. Wybór interfejsu zależy od wymagań i potrzeb, takich jak zasilanie, zasięg i miniaturyzacja. Funkcja komunikacji/przechowywania danych obsługuje etapowanie danych i łączność z usługami Internetu rzeczy (IoT) w chmurze (szyfrowanie/bezpieczeństwo, przechowywanie i analiza). W ostatecznym rozrachunku moduł komunikacyjny zarządza komunikacją między systemem inteligentnych czujników a urządzeniami zewnętrznymi (lokalnymi, zdalnymi lub stacjami monitorowania).

Ekosystem inteligentnych czujników

Cechą wyróżniającą inteligentny czujnik jest jego rola w szerszym ekosystemie informacyjno-analitycznym. Zintegrowanie inteligentnych czujników w całym łańcuchu dostaw może obniżyć koszty operacyjne, zwiększyć wydajność aktywów i poprawić planowanie zapotrzebowania. Standardy transmisji — np.: Wi-Fi, Bluetooth, NFC, RFID i inne — są następnie wykorzystywane do przekazywania danych do innych czujników, urządzeń kontrolnych, scentralizowanych platform zarządzania lub rozproszonych platform obliczeniowych w celu agregacji i analizy danych (Rysunek 2).