Sensori passivi intelligenti per nuove possibilità di misura

progressi tecnologici hanno permesso di introdurre la connettività fra diversi tipi di dispositivi. Ciò che inizialmente era uno smartphone connesso, si è evoluto in una rete di termostati, apparecchi, veicoli e altri dispositivi connessi che vanno sotto il nome di Internet delle Cose. Al crescere del numero dei dispositivi connessi cresce di pari passo la domanda di dati. Un sensore è un dispositivo che traduce una caratteristica fisica o ambientale, come la temperatura e l’umidità, in un segnale elettrico. La domanda di dati ha trainato la crescita dei sensori di diversi tipi, come quelli di temperatura, umidità, pressione e prossimità, che forniscono ai sistemi i dati di cui questi necessitano per elaborarli. Dato che l’IoT ora fornisce una possibilità senza precedenti di effettuare calcoli sui dati raccolti, i sensori stanno diventando ancora più pervasivi. La richiesta di un numero crescente di dati dei sensori da catturare da più posizioni determinerà anche lo sviluppo di nuovi tipi di sensori più piccoli, meno costosi e facili da installare. I sensori tradizionali includono gli stessi blocchi funzionali, indipendentemente dalla struttura specifica del sensore. Il blocco centrale di un sensore è l’elemento sensibile vero e proprio. Quest’ultimo è la porzione del sensore che fornisce una risposta all’ambiente del sensore e traduce una condizione ambientale in un parametro elettrico. Oltre all’elemento sensibile, i sensori richiedono l’alimentazione per i componenti all’interno del sensore, oltre alla circuiteria per l’elaborazione dei dati e alla connettività. Gran parte dei sensori includono l’elemento sensibile, il blocco di alimentazione e il blocco di elaborazione dei dati in ciascun nodo sensore. Al crescere della domanda di più dati forniti da sensori, il costo per incrementare il numero dei nodi sensore diventa una barriera di costo per alcune applicazioni. Le dimensioni fisiche dei componenti necessarie per l’alimentazione del sensore e per i blocchi di comunicazione restringono le opzioni disponibili per i sensori con un fattore di forma ridotto, e inoltre le criticità legate alla manutenzione e agli aspetti ambientali che caratterizzano i sensori alimentati a batterie costituiscono una limitazione all’installazione dei sensori in alcune applicazioni. Il costo e le dimensioni dei sensori tradizionali costituiscono delle barriere al ridimensionamento delle reti di sensori, o all’adozione di sistemi multi-sensore o di sensori usa e getta con l’ulteriore diffusione dei sensori intelligenti e dell’IoT nel mondo. È necessario quindi un approccio alternativo, in grado di eliminare batterie ingombranti e costose, Mcu e circuiteria. Dal momento che molti sensori connessi passano gran parte del tempo in stand-by o in modalità sleep per prolungare la durata delle batterie, l’alimentazione e l’intelligenza sono richieste solo durante i brevi e non frequenti periodi in cui il sensore si risveglia per scambiare piccoli pacchetti di dati con il sistema host. Se i sensori potessero essere alimentati temporaneamente da una sorgente esterna, e il grosso dell’elaborazione dati potesse anch’esso essere gestito esternamente, questi ultimi potrebbero consentire il ridimensionamento delle reti di sensori a costi contenuti e permetterebbero al multi-sensing o a innovazioni come i sensori usa e getta di diventare economicamente fattibili. Esiste una tecnologia che può fornire una soluzione: i sensori wireless passivi possono già essere dotati di memoria, interrogati o persino riscritti usando un lettore wireless e sono attivati dall’energia contenuta nel campo Rf trasmesso dal lettore. Gli standard proprietari di comunicazione Rfid sono collaudati e robusti, e forniscono una solida piattaforma per lo sviluppo di una nuova categoria di sensori passivi intelligenti, i quali separano la funzione del sensore dalla circuiteria di alimentazione e di controllo richiesta con i sensori tradizionali.

I sensori passivi intelligenti

I sensori passivi intelligenti possono liberare il potenziale delle tecnologie e degli standard Rfid per supportare uno scambio di dati wireless pratico e a consumi ridotti. Ciò è possibile integrando un’antenna stampata e l’anello di rilevamento dello stimolo con un circuito integrato Rf progettato per svolgere la funzione di un tag sensore passivo. La Fig. 1 mostra gli elementi funzionali principali di un sensore passivo intelligente, che comprendono l’antenna, il rivelatore di stimoli e il circuito integrato di controllo del blocco sensore. Il sensore passivo intelligente comunica usando il protocollo standard Uhf Gen 2, e può essere letto usando un opportuno lettore Rfid. Diversi lettori disponibili in commercio in formato fisso o portatile sono stati testati con i tag e la loro funzionalità è stata verificata. L’ecosistema di sensori passivi intelligenti di ON Semiconductor fornisce un lettore portatile alimentato a batterie con antenna incorporata, un’interfaccia utente grafica e la connettività IoT, che può essere usata come hub per raccogliere i dati dai tag sensori. Quando il lettore avvia la comunicazione, il circuito integrato sensore autoregolante rileva l’umidità o la pressione misurando le variazioni di impedenza nell’anello degli stimoli, e trasmette al lettore questi dati, unitamente ai dati di temperatura digitalizzati provenienti dal sensore di temperatura on-chip. Il sensore monitora diversi parametri, inclusa la potenza del segnale ricevuto per rilevare la prossimità, il movimento o la presenza, la temperatura e l’umidità. Ciascun sensore inoltre è dotato di un codice Epc programmabile per l’identificazione univoca. L’interfaccia utente Rfid compensa automaticamente per le variazioni ambientali nella misura dell’umidità, della pressione e di altri parametri.

Applicazioni di monitoraggio

Un’ampia varietà di applicazioni possono beneficiare dalla disponibilità di sensori passivi a basso costo o di tipo usa e getta. Il sistema di monitoraggio delle temperature in più punti all’interno dei rack dei server in un datacenter o nelle connessioni di un interruttore ad alta potenza all’interno di un gruppo di comando di alimentazione industriale ad esempio, può controllare gli andamenti delle temperature e rilevare rapidamente la presenza di temperature insolitamente elevate che potrebbero indicare la necessità di manutenzione predittiva o di un’azione correttiva. I sensori passivi intelligenti connessi direttamente a componenti quali un alloggiamento metallico, ai package dei componenti o ai dissipatori, possono rispondere alle interrogazioni periodiche effettuate da un lettore posizionato all’interno del raggio operativo Rf di tutti i sensori. È anche presente una strategia di monitoraggio basata sui sensori passivi intelligenti e su un lettore/interrogatore Rfid connesso al Cloud. Quest’ultima può fornire un mezzo più immediato e conveniente per proteggere un apparecchio rispetto ad altri approcci quali la misura manuale della temperatura o l’imaging termico. Il tag sensori intelligenti passivi sono anche indicati per le applicazioni nel campo dell’agricoltura digitale, come il monitoraggio del bestiame per individuare la presenza di patologie o per verificare i cicli di ovulazione. Gli agricoltori hanno usato i tag Rfid con successo per scopi semplici come l’identificazione e la localizzazione degli animali. I sensori passivi intelligenti ora forniscono l’opportunità di migliorare ulteriormente il benessere degli animali e di aumentare le rese agricole con investimenti in apparecchiature o sistemi. Analogamente, la rilevazione dell’umidità o della pressione attraverso sensori passivi intelligenti ha applicazioni in scenari quali la sanità, il collaudo industriale e la sicurezza in campo automotive. Nel campo della sanità, ad esempio, i sensori di umidità possono essere attaccati in modo non invasivo al letto di ospedale per rilevare l’occupazione del letto da parte del paziente e la sua irrequietezza, e sensori di temperatura non invasivi possono essere attaccati alla pelle di un paziente e monitorati in modalità wireless usando un lettore posto nelle vicinanze. Ulteriori applicazioni includono la verifica della presenza di perdite di acqua nell’industria automotive: una matrice di sensori passivi intelligenti di umidità può essere installata all’interno di un veicolo prima dell’inizio della verifica delle perdite, e può così eliminare la necessità di effettuare laboriose misure manuali, semplificando la raccolta e l’analisi dei dati. Inoltre, la misura dell’umidità e della pressione, con un sensore di prossimità aggiuntivo per rilevare lo stato delle cinture di sicurezza, può consentire un rilevamento più intelligente dell’occupazione del veicolo rispetto a quanto sono in grado di ottenere i tradizionali sistemi cablati nel sedile o nel serbatoio. I sensori passivi intelligenti consentono la distinzione di un occupante umano da un oggetto posizionato sul sedile, e il sistema di misura può essere ampliato per coprire i sedili dei passeggeri posteriori. I tag sensori passivi intelligenti possono essere usati per altre funzioni di rilevamento di perdite, di rilevamento della presenza di occupanti e di monitoraggio della temperatura o del livello di umidità in numerose applicazioni che vanno dall’automazione domestica all’auto connessa.

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