Intelligens és összetett szenzorok Galbács Gábor
Összetett és intelligens szenzorok Bevezetés
A mikroelektronika fejlődésével, a mikroprocesszorok (CPU), mikrokontrollerek (µC, MCU), mikroprogramozható logikai kapuk (FPGA), digitális jelfeldolgozó egységek (DSP) elmúlt évtizedekbeli megjelenésével és széleskörű elterjedésével a szenzorok i jelentős is j l tő fejlődésen f jlődé mentek t k keresztül. k tül Ezek E k az új lehetőségek l h tő é k azzall kapcsolatosak, k l t k hogy • összetett, bonyolult felépítésű szenzorok is készíthetők, amelyek saját döntésekre, illetve az adatkiértékelés egyes lépéseinek elvégzésére is képesek • a szenzorok kommunikációja, távolról történő kiolvasása válik lehetségessé • a mérő‐/folyamatszabályzó rendszerek mérete még tovább csökkenthető Összetett szenzoroknak olyan szenzorokat nevezünk, amelyek egynél több elemi szenzort tartalmaznak, ezáltal új érzékelési információt („dimenziót”) nyújtanak. Az intelligens szenzorok (intelligent/smart sensors) olyan szenzorok, amelyek a közvetlen érzékelésen/transzdukción túl több funkciót tartalmaznak, pl. kommunikáció, esetleg részleges jelkiértékelés.
1
Összetett és intelligens szenzorok Mikroprocesszorok (CPU) A mikroprocesszorokat (CPU) ma már mindenki ismeri, hiszen ez a központi, elemi logikai, adatátviteli, számítási műveleteket végző egysége a számítógépeknek, amelyek ma mindenütt megtalálhatók. A CPU‐k közül ma a szenzorikai (és/vagy miniatürizált) alkalmazásokban az egyszerűsített utasításkészletű (RISC) változatokat alkalmazzák ((embedded systems). y ) A fejlődés j ma már eljutott j oda,, hogy gy igen g nagy gy teljesítményű j y CPU,, GPU, ALU egységeket integrálnak memóriával és periféria illesztő modulokkal együtt egyetlen lapkára (System on a chip, SoC). A programokat külső tárolókból olvassák és mindig van cache memóriájuk, ami az ismétlődő utasítások gyors végrehajtását segíti.
IBM zEnterprise négymagos processzor rendszer, 5.2 GHz működési sebesség, 1.4 Mrd tranzisztor, 24 MB eDRAM L3 négyszintű cache memória, 45 nm‐es gyártástechnológia, optikai kapcsolatokkal
Összetett és intelligens szenzorok Mikroprogramozható logikai kapuk (FPGA) A felhasználó által konfigurálható (field‐programmable grid array, FPGA) chipek a folyamatszabályzásban és ipari érzékelők gyártói között népszerű megoldások. Lényegében ezek logikai, gyakori számítási műveletek (pl. számlálás, órajel‐generálás, összeadás, összehasonlítás, tárolás, stb.) hardver szinten automatizált elvégzését teszik lehetővé azáltal, azáltal hogy egy, egy a programozás során konfigurálható építőelemekből álló struktúrát alkalmaznak. A párhuzamosság miatt nagy mennyiségű adat dolgozható fel így rövid idő alatt (pl. FFT, dekonvolúció számítása).
Az FPGA‐t tartalmazó NI CompactRIO rendszer, amely szenzorikai alkalmazásokban is megállja a helyét
2
Összetett és intelligens szenzorok Digitális jelfeldolgozó processzorok (DSP) A digitális jelfeldolgozó processzorok (digital signal processor, DSP) specializált mikroprocesszorok, amelyeket analóg jelek valós idejű, digitális feldolgozására terveztek (nincs cache). Bemenetükön általában tehát analóg‐digitális konverterek (ADC), kimenükön pedig digitális‐analóg konverterek (DAC) találhatók. Fő felhasználási területük az audió és videó feldolgozás, feldolgozás a frekvencia vagy időfüggő jelek tömörítése, tömörítése összehasonlítása, összehasonlítása kiértékelése, RADAR, SONAR, szeizmológia, orvosi diagnosztika, biztonsági rendszerek, stb.
A TI C6000 köré épülő, ultrahangos diagnosztikai rendszer blokkvázlata
Összetett és intelligens szenzorok Mikrokontrollerek (MCU) A mikrokontrollerek általános célú, flexibilis kialakítású, kimondottan beágyazott ipari alkalmazásokhoz való mikroszámítógépek, amelyek sok szempontból hasonlatosak a DSP‐hez, de jelentős architekturális különbségek vannak közöttük. ADC és DAC áramköröket is tartalmaznak, ki és bemeneteik funkciója szoftveresen konfigurálhatók, watchdog timer található bennük, bennük program és adat tárolóik sokszor szeparáltak. szeparáltak
3
Összetett szenzorok Példák Az összetett szenzorokra ma már számos kommerciális példa létezik, amelyek minimum egy közös nyomtatott áramköri lemezen (PCB), de sokszor egy közös chip‐en tartalmazzák a többféle szenzort. Néhány általános (nem analitikai) célú példa: • A hőmérséklet,, nyomás, y , légnedvesség, g g, megvilágítás g g együttes érzékelése az időjárásra, mikroklímára vonatkozó összetett információt jelent • 2D fényérzékelő pixelekből (CMOS, CCD, PD) elrendezett összetett szenzorok képi (vagy mozgóképi) információt tudnak érzékelni • három, ortogonális tengelyirányban elrendezett gyorsulásmérő (accelerometer) egy chipben a pozíció‐ és mozgásérzékelés alapja stb.
Intelligens szenzorok Kommunikációs szabványok Jelenleg a szenzorok kiolvasására és az aktuátorok irányítására számos, eltérő ipari kommunikációs szabvány létezik (pl. Profibus, I2C, CAN, M‐Bus, stb.), ami azt jelenti hogy az eszközök nem csereszabatosak egymással és a gyártóknak párhuzamosan kell fejleszteniük a különböző protokollok alá. A kommunikáció standardizálása a szenzorok elterjedését és a költséghatékonyságot nagymértékben szolgálná. Az erre irányuló törekvéseket fogja össze a készülőben lévő IEEE 1451 szabvány. y
Szenzorok és aktuátorok kommunikációs alkalmazási szituációi (példák) – egy további lehetőséget jelent a szenzorok egymással való közvetlen kommunikációja
A vezeték nélküli kommunikációs technológiák fejlődése is összefügg szenzorikai célokkal is. Pl. a ZigBee kommunikációs protokoll kimondottan a kis fogyasztású, kis adatforgalmú szenzorok biztonságos vezeték nélküli kommunikációjára irányuló fejlesztés.
4
Intelligens szenzorok Példák intelligens szenzorokra Az intelligens (smart) szenzorok többlet funkciókat biztosítanak az érzékeléshez képest. Ez a valóságban szinte mindig SoC számítógépekkel való egybeépítés révén valósul meg. Két példa: • 2D képi információt nyújtó összetett szenzort mikroprocesszorral (pl. DSP) kombinálva integrált alakfelismerési, kódolvasási vagy képstabilizálási megoldások valósíthatók meg (gondoljunk pl. ipari automatizálási, biztonsági vagy kamera alkalmazásokra)
• fogyasztásmérők (metering) rendszere a „világ egyik utolsó nagy, nem intelligens mérőrendszere”, amelyet manapság kezdenek távolról leolvasható eszközökkel intelligenssé tenni (víz/elektromos áram,stb.)
Intelligens szenzorok A „smart dust” koncepció – mikro/nanoszenzorok hálózata Az intelligens szenzorokkal kapcsolatos elképzelések legkorszerűbb és egyben legminiatürizáltabb vállfaját a smart dust koncepciójú eszközök képviselik. Ez a koncepció Kristofer Pister professzor csoportjához fűzödik (University of California, Berkeley, USA). Pister 1997‐ben vetette fel a lehetőséget, hogy éveken belül köbmilliméter térfogatú, önálló tápellátással p bíró,, kommunikációra és elemi adatkiértékelésre,, valamint mozgásra g képes érzékelő eszközöket lehetne létrehozni. Ezeket az eszközöket, amelyeket smart dust‐ nak nevezett (hívják még őket mote‐oknak), elvben viszonylag olcsón (1 dollár körüli áron) elő lehet állítani, amely tömeges alkalmazásukat tenné lehetővé olyan szituációkban, amelyek nagy gyakorlati jelentőséggel bírnak. Néhány, azóta részben már demonstrált alkalmazás: • • • • • • • • • •
(repülőgépről szétszórva) erdőtüzek korai észlelése és a tűzoltás irányítása épületek vázába beszerelve strukturális problémák, feszültségek előrejelzése irodákba/otthonokban az emberi jelenlét érzékelésével klimatizálás/világítás vezérlése ipari csővezetékekbe, gyártáskor a festék alá szerelve, korróziós problémák előrejelzése mezőgazdaságban a talaj és időjárás kiterjedt érzékelése; öntözés/műtrágyázás vezérlése távoli bolygók felszínén kommunikációs rendszerek (pl. antenna) építése forgalom figyelése katonai/határvédelmi céllal nagy műszaki gépezetek (pl. tanker hajók) állapotának folyamatos monitorozása személyazonosító rendszerek (interaktív reklámok, munkahely előkészítése, stb.) egyelőre utópisztikus, de régi elképzelés: nano kivitelben in vivo orvosdiagnosztika
5
Smart dust szenzorok Azonosítás Smart Dust szenzorok esetében A sorozatgyártott egységek azonosítására (ID) szükség van, különben honnan tudnánk, hogy melyiktől jön az információ. Az ide vonatkozó passzív megoldások közé tartozhatnak a fotonikus kristályok és a passzív RFID tag‐ek.
M.J. Sailor, J.R. Link, Chem. Comm. (2005) 1375.
Smart dust szenzorok Az érzékelés Smart Dust szenzorok esetében A legkönnyebben természetesen fizikai paraméterek (pl. nyomás, hőmérséklet, fényintenzitás, stb.) mérése valósítható meg mikroszkópikus szenzorokkal, amelyek mote‐okban elférnek. Kémiai érzékelésre is van azonban mód, gondoljunk pl. az ISFET szenzorokra. Optikai szenzorok is készíthetők, pl. mikro/nanopórusos Si anyagból, amelyek l k felületét f lül tét funkcionalizáljuk. f ki li álj k Ezek E k után, tá ha h a szenzor felületén f lül té (a ( pórusokban) ó kb ) adszorbeálódik az analit molekula, megváltozik a Si törésmutatója, ami a reflexiós spektrumban észlelhető; a spektrum Fourier transzformáltjában a csúcs eltolódik. Persze ehhez kell egy spektrométer és a reverzibilis érzékelés sem egyszerű…
M.J. Sailor, J.R. Link, Chem. Comm. (2005) 1375.
6
Smart dust szenzorok Jelfeldolgozás Smart Dust szenzorok esetében A jelfeldolgozás már a mai mikroelektronikai eszközökkel is az egyik legkönnyebben kivitelezhető feladatnak tűnik, de távlatokban gondolkodva, a molekuláris elektronika is megoldást jelenthet..
Smart dust szenzorok Kommunikációs lehetőségek Smart Dust szenzorok esetében Akusztikus kapcsolat Ezt a kapcsolatot a legegyszerűbb kivitelezni, azonban a miniatűr kivitel miatt több probléma is felvetődik, pl. relatíve nagy fogyasztás mellett is kicsi lesz az elérhető hangnyomás, amit a környezeti zajok elnyomhatnak és így a hatótávolság (amelyet a légnedvesség g g is befolyásol) y ) korlátozott. Optikai kapcsolat Az optikai kapcsolat aktív (adó/vevő, DL fényforrással) és passzív (corner cube reflector) kivitelben is megvalósítható. Legnagyobb hátránya, hogy a fény egyenesvonalú terjedése miatt az adónak meg kell keresnie a vevő irányát, ami kis térszögek esetén sokáig tarthat. A környezeti hatások itt is befolyásolhatják a hatósugarat. RF vezeték nélküli kapcsolat Ma már sokféle, RF kapcsolatra képes, igen alacsony fogyasztású adó/vevő integrált áramkör van a kereskedelmi forgalomban. Optimális kommunikációhoz λ/4 hosszúságú antenna kellene, ami 1 mm‐es eszköznél 75 GHz frekvenciát ad; ez egyelőre nehezen elérhető kis fogyasztású chipekkel. A megoldás az lehet esetleg, hogy antennaként szolgáló hosszú „farkat” rögzítenek a MOTE‐hoz. Az RF kapcsolat révén a mote‐ok egymással is kapcsolatba léphetnek, ad hoc hálózatot létrehozva; ilyenkor azonban a biztonságos kommunikáció alapvető feltétel… Seth Hollar, MSc thesis (2000).
7
Smart dust szenzorok Mobilitás Smart Dust szenzorok esetében A mozgás a szenzorok mérési környezetétől függően többféle megoldással elképzelhető (repülés, úszás, mászás, stb.). Szilárd felületen MEMS (micro electro‐mechanical systems) elektrosztatikus motorok mozgathatják a mote‐ot.
Hollar et al., Transducers (2003) 262.
Smart dust szenzorok Mobilitás Smart Dust szenzorok esetében Folyadékok vagy folyadékcseppek felületén az úszás pl. hidrofób/hidrofil chip oldalak kialakításával elképzelhető. Ha a chip‐hez szuper‐paramágneses nanorészecskéket (pl. Fe3O4) rögzítünk, akkor mágneses té l a mote‐ok térrel t k irányíthatókká i á íth tókká válnak ál k (a ( legalsó l l ó ábra áb ilyen módon irányított folyadékcseppekkel demonstrált csapadékos reakciót mutat). Jobb oldalon: repülő microbot.
M.J. Sailor, J.R. Link, Chem. Comm. (2005) 1375.
8
Smart dust szenzorok Tápellátási lehetőségek Smart Dust szenzorok esetében A tápellátás kritikus kérdés a mote‐ok esetében, hiszen nemcsak kis méretűnek kell lennie a tápforrásnak, hanem ráadásul az elektromos fogyasztás is jelentős lehet a kommunikáció, mozgatás, stb. funkció miatt (pl. mW). Több lehetőséget is vizsgáltak már; pl. a napelemes működést (láttuk a kétlábú microboton), a miniatűr elemet (pl. hallókészülékből, balra lent), a h harmadik dik a rezgési é i energia i elektromos l kt energiává iá á alakítása l kítá piezokristállyal i k i táll l (jobb (j bb oldalon ld l lent). l t)
Yee W. Shwe and Yun C. Liang, Proc. 6th Intl. Conf. Inf. Techn. Appl. (2009) 184.
9
