Integrierte Sensorik in der Industrie Wie sich das IoT aus der Ferne überwachen lässt

Autor / Redakteur: Stéphane Duquet * / Nico Litzel

Bietet der Sensor eine integrierte Signalverarbeitung und lässt sich mit dem Internet verbinden, dann wird er intelligent. Eine spezielle Form sind DAR-Sensoren zur Fernüberwachung. Wir geben einen Überblick.

Sensoren als Schlüssel zu IoT: DAR-Sensoren führen komplexe Messungen aus, um Daten zur Position, Präsenz und Geschwindigkeit zu ermitteln.
Sensoren als Schlüssel zu IoT: DAR-Sensoren führen komplexe Messungen aus, um Daten zur Position, Präsenz und Geschwindigkeit zu ermitteln.
(Bilder: LeddarTech)

Bereits heute gibt es 1,5 Mal mehr vernetzte Geräte als Menschen. Schätzungen zufolge soll das Internet der Dinge (IoT) bis zum Jahr 2020 bereits 50 Milliarden Objekte mit Netzwerken verbinden [1].

Das IoT besteht aus Objekten, Geräten und Maschinen, die drahtgebunden oder drahtlos an das Internet angeschlossen sind. Sie können Daten erfassen und diese mit anderen Geräten austauschen. Dabei spielen Sensoren bei der Vernetzung eine wesentliche Rolle. Die sogenannten Sensoren der nächsten Generation erfassen eine Fülle aussagekräftiger Daten, auf deren Grundlage sich Anwendungen und Funktionen erstellen lassen. Und weil sie zudem noch mit wenig Platz auskommen, lassen sie sich in eine Vielzahl von Geräten integrieren.

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Von einem intelligenten Sensor kann man dann sprechen, wenn sie eine integrierte Signal-/Datenverarbeitung anbieten. Einer Definition zufolge umfasst ein intelligenter Sensor [2] „einen Mikroprozessor, der die Signale vor der Übertragung an das Steuernetz aufbereitet. Er filtert unerwünschtes Rauschen heraus und kompensiert Fehler. Manche Sensoren können auch so programmiert werden, dass sie bei Überschreitung kritischer Grenzwerte eigenständig Alarme ausgeben.“ Um die Sensorik zu integrieren und auch die Kosten dabei nicht aus dem Auge zu verlieren, sind sie häufig hochgradig integriert (VLSI) und mit Mikrosystemen (MEMS) ausgestattet.

Dabei sind die Sensoren eng mit dem IoT verknüpft, da dessen Kernfunktion darin besteht, aussagekräftige Daten zu erfassen. Daher wird das IoT um autonome, drahtlos miteinander kommunizierende Sensoren herum aufgebaut. Demzufolge besteht ein IoT-Sensorelement mindestens aus den drei Elementen Sensor, Mikrocontroller und Internetanbindung. Damit ist das IoT in der Lage, jederzeit und überall große Mengen relevanter Sensordaten zu erfassen und sie in Echtzeit zu übertragen. So verfügt der Mensch über mehr Informationen zu seiner nahen oder auch fernen Umgebung und ist in der Lage, bessere Entscheidungen schneller zu treffen sowie seine Effizienz und Produktivität zu erhöhen.

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Rasantes Wachstum der vernetzten Sensoren

Sensoren sind die Ohren und die Augen des Internet of Things. Das prognostizierte Wachstum sowie die weltweite Verbreitung und die potenziellen Auswirkungen auf unseren Alltag zeigen, dass dieser Trend zu einem rapiden Anwachsen des Sensormarktes führen wird. So hat die Stanford University im Oktober 2013 eine Studie [3] veröffentlicht in der es heißt, dass im Verlauf des kommenden Jahrzehnts jedes Jahr eine Billion Sensoren installiert und in 20 Jahren bis zu 45 Billionen Sensoren vernetzt sein werden.

Sensoren orten und messen die Entfernung

Eine für das IoT wichtige Sensorkategorie betrifft die Fernüberwachung. Hierbei geht es darum, Informationen zu einem Objekt zu erfassen, ohne es zu berühren. Dabei kann sich das Objekt in der Nähe oder auch mehrere hundert Meter oder noch weiter entfernt befinden. Zur Fernüberwachung stehen im Wesentlichen drei Techniken mit unterschiedlichen Funktionen zur Verfügung:

  • Präsenzerkennung ermittelt die Anwesenheit von Objekten, wie sie beispielsweise bei Sicherheitsanwendungen angewandt wird. Das ist die einfachste Form der Fernüberwachung.
  • Geschwindigkeitsmessung ermittelt die genaue Geschwindigkeit eines Objektes, wie durch die Polizei, wenn keine Bestimmung der Ortsposition erforderlich ist.
  • Ortung und Entfernungsmessung (DAR = detection and ranging) ermittelt die genaue und präzise Position eines Objektes in Bezug zum Sensor.

Solche DAR-Sensoren führen komplexe Messungen aus, da Daten zur Position, Präsenz und Geschwindigkeit erfasst und somit Fernüberwachungsanwendungen ermöglicht werden. Aktuell werden sie in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt, um Prozesse und Konsumgüter, die Sicherheit und den Energieverbrauch zu optimieren. Dazu gehören intelligente Fahrzeuge, mit denen sich die Verkehrssicherheit durch automatische Fahrerassistenz- und Kollisionsvermeidungssysteme erhöhen lässt. Und auch in unserem Wohnumfeld sorgen Sensoren dafür, die Lebensqualität durch Zutrittskontrolle, Beleuchtungssteuerung und intelligente Haushaltsgeräte zu erhöhen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 13/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Auch Städte sind komplex und werden künftig verstärkt mit Sensoren überwacht: Ob es Verkehrssysteme sind, die überwacht und gesteuert werden, intelligente Straßenbeleuchtung oder das Parkplatzmanagement. Überall spielen die DAR-Sensoren eine wichtige Rolle. Um die Anforderungen einer zukünftigen Masseninstallation in anspruchsvollen Umgebungen erfüllen zu können, müssen sich alle genannten Anwendungen durch eine hohe Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Robustheit, Wirtschaftlichkeit, Anpassungsfähigkeit, durch einen geringen Platzbedarf sowie einen niedrigen Strom- und Bandbreitenverbrauch auszeichnen.

Die verschiedenen DAR-Sensoren im Vergleich

Wo sich DAR-Sensoren einsetzen lassen, wurde bereits beschrieben. Im folgenden Abschnitt werden einige der wichtigsten DAR-Techniken miteinander verglichen, wobei zwischen aktiven und passiven Systemen unterschieden wird. Obgleich es auch mit passiver Technik, wie der Dreiecksvermessung von stereoskopischen Fotos, möglich ist, Entfernungsdaten zu ermitteln, sind aktive Techniken weiter verbreitet. Sie senden einen Impuls zu einem Objekt, erfassen das Echosignal und analysieren es, um die Position eines oder mehrerer Objekte im Messfeld des Sensors zu ermitteln. Da sie selbst Energie zum Zielobjekt aussenden, wird diese Technik als aktiv bezeichnet.

Einige aktive Techniken analysieren den geometrischen Standort des Rücksignals, um daraus Positionsdaten abzuleiten. Andere messen die Laufzeit des reflektierten Signals. Letztere werden häufig als TOF- (Time-of-Flight-)Technik bezeichnet. Laufzeitmessungen lassen sich mit Funkwellen (RADAR), Schall-/Ultraschallwellen (SONAR) oder Lichtwellen (LIDAR und LEDDAR) durchführen.

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Jede Technik bietet ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Deshalb muss für die entsprechende Anwendung geprüft werden, die am besten geeignete Technik zu finden. Leddar steht als jüngste Entwicklung für eine effiziente Sensortechnik, die sich für verschiedene IoT-Anwendungen anbietet.

Die Leddar-Signalverarbeitung basiert auf der direkten Laufzeitmessung der von Leuchtdioden oder anderen Lichtquellen ausgesendeten Lichtimpulse. Das Leddar-Verfahren unterscheidet sich insbesondere dadurch, dass die empfangenen Echosignale für den gesamten Erfassungsbereich des Sensors abgetastet und keine direkte Verarbeitung analoger Signale erfolgt. Mit Hilfe patentierter Methoden erweitert Leddar iterativ die Abtastrate, die Auflösung und den Signal-Rausch-Abstand dieses abgetasteten Signals und erzeugt ein besseres Reichweiten-Leistungsverhältnis.

Abschließend wird das resultierende diskrete Zeitsignal analysiert und daraus für jedes einzelne Objekt die Entfernung berechnet. Aufgrund der Implementierung in Submicron-CMOS-Standardprozessen bietet Leddar einen Sensorkern mit äußerst geringem Stromverbrauch, der die Leistung jedes optischen TOF-Sensors maximiert.

Die Vorteile von Leddar in der Praxis

Zu den Vorteilen von Leddar, das für Light-Emitting Diode Detection and Ranging steht, zählen ihre hohe Empfindlichkeit, die Störfestigkeit gegenüber Rauschen sowie ihre leistungsstarke Datenextraktion. Zudem ist sie in der Lage, die Entfernung zu allen im Messfeld erkannten Objekten zu ermitteln. Die Technik wertet einen gestreuten (diffusen) Lichtstrahl einer LED aus und kann somit einen breiten Messbereich auf einmal abdecken.

Damit eignet sich die Technik für Sensoren mit einem einzigen Detektionselement für spezifische Messungen sowie für Mehrelemente-Sensoren an, die beispielsweise genutzt werden, um mit schnellen, parallelen Messungen und ohne sich bewegende mechanische Teile 2-D- oder 3-D-Sensoren aufzubauen.

Für die Entwicklung von DAR-Anwendungen bietet die Leddar-Technik drei wichtige Vorteile: ein besseres Reichweiten-Leistungsverhältnis, die Erkennung von Objekten auch bei eingeschränkter Sicht sowie die gleichzeitige Auflösung mehrerer Objekte.

Dieser Artikel stammt ursprünglich von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis. Verantwortlicher Redakteur: Hendrik Härter

* Stéphane Duquet ist Marketing-Director bei LeddarTech in Quebec, Kanada.

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