Индустриальный интернет вещей. Модуль 2

В этом модуле вы узнаете:
• что на самом деле называют «датчиком»;
• как устройства собирают, передают и получают информацию;
• что и как мы можем измерять и контролировать на ферме, в городе и на предприятии;
• какие факторы влияют на выбор датчика;
• и можно ли разобраться в «зоопарке» датчиков с помощью описаний с Aliexpress.
А в конце вы сами попробуете выбрать датчики для «умной» теплицы и убедитесь, насколько это сложно, если вы не специалист.

Как мы собираем данные с помощью устройств и датчиков

Как работают автоматические двери с датчиком движения, можно ли поставить датчик внутрь коровы и зачем РЖД сверхчуткий сенсор длиной 3 километра — ментор курса Николай Шевалье рассказывает о самых привычных и самых необычных устройствах из мира интернета вещей и о проблемах, которые они помогают решать.

Что стоит внутри устройства: датчик, микроконтроллер и другие компоненты

Сейчас мы расскажем, как разные приборы и объекты научились собирать информацию, решать, стоит ли передавать ее человеку, — и даже стали запускать себя сами.

Датчик — всего лишь деталь. Очень часто люди называют «датчиком» весь предмет, который мы подключаем к интернету вещей. Это ошибка: предмет собирают из разных компонентов, в том числе датчика, выбирая элементы под конкретного заказчика и задачу. Сам получившийся из деталей предмет правильнее называть «устройством».

Устройства чаще всего состоят из:

Разберем схему подробнее:

1. Датчик

Это чувствительный элемент, который контактирует с окружающей средой: измеряет показания, реагирует на объекты и создает сигнал об этом. Например, в датчике температуры металл или специальная термопленка реагируют на тепло вокруг.

2. Микроконтроллер

Это простой бортовой компьютер, который получает сигнал от датчика и реализует логику работы всего устройства. Например, датчик может отдавать показания раз в секунду, а микроконтроллер будет принимать решение, передавать ли данные человеку. Если мы программируем его реагировать только на температуру выше +30 С, он отправит нам уведомление лишь когда она превысит эту норму.

3. Актуатор

Актуатор (исполнительное устройство) — это реле или транзистор, который мы добавляем к устройству, чтобы оно могло что-то переключать — по сигналу от микроконтроллера или по дистанционной команде, которую примет радиомодуль. Например, если температура выйдет за допустимый предел, актуатор может включить вентиляцию или кондиционер, а вы получите уведомление об этом.

4. Источник питания

Тут все просто — электронике нужно электричество. В зависимости от энергопотребления и задачи мы можем питать устройство от батарейки или от сети по проводу.

5. Встречаются устройства без датчика — например, умный замок.

Когда мы подходим к двери, на его радиомодуль поступает входящий запрос от нашего телефона или пропуска. Микроконтроллер сверит номер пропуска или информацию о телефоне с хранящимися в его памяти данными о правах доступа. Если доступ разрешен, он отправит команду на исполнительное устройство — и актуатор запустит механизм, отпирающий замок.

Гораздо чаще встречаются устройства без актуатора — но с датчиком. Одна из самых частых задач — мониторинг. То есть мы просто хотим, чтобы устройство снимало показания и отправляло их нам, ничего больше не делая. Можно не тратиться на актуатор, поэтому многие приборы в интернете вещей работают без исполнительных устройств.

Ниже мы собрали несколько популярных устройств, которые часто выпускаются без актуатора. Попробуйте сопоставить их описание и картинку.

• Счетчик отопления с датчиками температуры и протока воды.
• Инфракрасный извещатель с линзой и оптическим сенсором, улавливающими движение животных и людей.
• Гигрометр — прибор, который с помощью чувствительного элемента измеряет уровень влаги в окружающей среде.
• Пожарный извещатель, который использует светодиод и фотоэлемент, чтобы обнаружить рассеивание света от дыма при возгорании.

Можно подключать к интернету вещей уже имеющиеся датчики и приборы. Многие механизмы и объекты инфраструктуры на предприятиях и в городах уже оснащены электронными или хотя бы механическими датчиками. Если мы хотим оцифровать информацию с них, можно добавить к приборам недостающие электронные компоненты и элементы питания. Окончательно решить, можно ли усовершенствовать старые датчики, либо придется менять их на поколение устройств поновее, может только квалифицированный инженер.

Что умеют считать, замечать и контролировать устройства

На ферме

На производстве

В городе

Почему не нужно выбирать датчик без специалиста

Готовые решения из поиска подойдут лишь для домашнего интернета вещей. Для индустриального интернета вещей требуется разрабатывать свой проект.

Каждый проект будет уникальным. Нам каждый раз нужно формулировать требования, учитывать все факторы и выбирать оптимальный датчик из десятков и сотен образцов с похожими названиями и разными характеристиками. Ошибка в лучшем случае будет стоить нам денег. А иногда и гораздо больше.

Разберемся на примере.

Мы решили дополнительно защитить людей в шахте — дать каждому компактный газоанализатор. Он будет собирать данные о концентрации метана в тех местах забоя, где сейчас находятся шахтеры, и поможет подать всем сигнал об эвакуации.

Мы идем в поиск, чтобы примерно понять, сколько это будет стоить, — и видим готовое устройство с каталитическим датчиком, куда остается только вставить батарейку. «Всего за $5», — радуемся мы. Казалось бы, задача решена. Но только потом выяснится, что такой датчик предназначен лишь для поиска бытовых утечек газа, ненадежен в шахте и «съедает» батарейку за полсмены.

«Хорошо, может, возьмем этот оптический датчик», — он может работать от одной зарядки месяц, супернадежен, но и стоит $200 — и это без микроконтроллера, батарейки, корпуса, наконец. То есть цена готового устройства, которое можно разбить или банально потерять, будет высока. Нам не дадут такой бюджет.

И только специалист, выслушав, что и зачем вы хотите измерять, а затем задав дополнительные вопросы и взвесив варианты, посоветует оптимальное решение. Например, для шахты подойдет электрохимический датчик — работает долго, надежен, уловит метан, а стоит всего $30. Лучшее решение не всегда лежит на поверхности.

Иногда вы даже не угадаете, датчик чего вам нужен

Эта история из жизни — повод еще раз задуматься о том, чтобы доверить выбор датчиков профессионалам. Цена, размеры, диапазон и точность срабатывания, срок работы от батарей — далеко не все факторы, которые бывают нам необходимы для выбора датчика.

Итоги модуля

В этом разделе — основные тезисы этого модуля. Вы можете повторить их и потом переходить к заданию.

1. Устройство датчика (схема из физической части, микроконтроллера и источника питания) В интернете вещей можно подключать датчики, которыми уже пользуются: только нужно добавить к ним микроконтроллер и батарею/подключить к питанию.

2. Факторы, которые влияют на выбор датчика:

• габариты;
• точность измерения;
• диапазон измерений;
• энергоэффективность;
• и другие.

3. Выбор датчиков для интернета вещей — работа технического специалиста. На выбор датчиков влияет большое количество факторов, в каждой категории (температуры, газа) существуют сотни позиций. А подчас только специалист сможет выбрать нужную категорию датчика.

Проверьте, насколько хорошо вы усвоили материал:

ПРОВЕРИТЬ СЕБЯ