سنسور هوشمند / انواع سنسورهای کاربردی در اینترنت اشیاء

سنسور

سنسورها وسایلی هستند که خواص فیزیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. به عنوان مثال سنسور دما، سنسور رطوبت ، سنسور تشخیص حضور و غیره . این حسگرها اطلاعات را از دنیای واقعی به دست می آورند.

سنسور هوشمند

سنسور های هوشمند داده ها و اطلاعاتی را تولید و دریافت می کنند که فراتر از سیگنال های سوئیچینگ سنتی یا پارامتر های اندازه گیری شده است. آن ها ورودی را از محیط فیزیکی می گیرند و پس از شناسایی ورودی با استفاده از منابع محاسباتی داخلی ، داده ها را قبل از ارسال آن پردازش می کند. این دستگاه ها برای نظارت و مکانیسم های کنترل در محیط های مختلف از جمله شبکه های هوشمند ، شناسایی محیط ، اکتشافات و کاربردهای علمی استفاده می شوند.

سنسور هوشمند یک عنصر حیاتی و جدایی ناپذیر در اینترنت اشیا است. فناوری اینترنت اشیا امکان ارائه یک شناسه منحصر به فرد را برای تقریباً هر چیزی و انتقال داده ها از آن ها را از طریق اینترنت یا یک شبکه حسگر مشابه ممکن می سازد. یکی از موارد استفاده از سنسورهای هوشمند به عنوان اجزای یک شبکه سنسور بی سیم و محرک است که می تواند هزاران گره داشته باشد. هر گره نیز به یک یا چند سنسور دیگر و هاب سنسور و همچنین به محرک های جداگانه متصل است.

ریزپردازنده های متحرک کم مصرف معمولاً منابع محاسباتی را در محیط های IoT فراهم می کنند. یک سنسور هوشمند ، حداقل از یک حسگر، یک ریزپردازنده و نوعی فناوری ارتباط بی سیم ساخته شده است. منابع محاسباتی باید بخشی جدایی ناپذیر از طراحی فیزیکی باشد. سنسوری که فقط داده های خود را برای پردازش از راه دور ارسال می کند، سنسور هوشمند در نظر گرفته نمی شود.

یک سنسور هوشمند ممکن است علاوه بر حسگر اولیه، شامل تعدادی اجزای دیگر نیز باشد. این اجزا می تواند شامل مبدل ها ، تقویت کننده ها ، کنترل تحریک ، فیلترهای آنالوگ و جبران باشد. حسگر هوشمند همچنین دارای عناصر نرم افزاری است که عملکردهایی مانند تبدیل داده، پردازش دیجیتال و ارتباط با دستگاه های خارجی را ارائه می دهد.

اجزای سنسور هوشمند

به طور کلی یک سنسور هوشمند شامل سه جزء اصلی می باشد: 1- سنسوری که داده ها را از یک محیط میگیرد 2 - یک ریز پردازنده که خروجی سنسور را ازطریق برنامه نویسی محاسبه می کند 3 - در آخر قابلیت های ارتباطی که حسگرها را قادر می سازد تا از خروجی ریز پردازنده در عمل استفاده کند.

موارد استفاده از سنسورهای هوشمند

سنسورهای هوشمند کاربردهای زیادی دارند. بیشترین استفاده آنها در محیط های صنعتی و اتوماسیون صنعتی، رباتیک است .

کارخانه ها اغلب از حسگرهای هوشمند برای اهداف تشخیصی استفاده می کنند. سنسورهای هوشمند دمای ماشین‌ آلات را کنترل می کنند و سنسورهای لرزش ، دستگاه ها را از خطر لرزش کنترل می‌کنند. حسگرهای هوشمند همچنین کنترل فرآیند را امکان‌پذیر می‌سازند، مانند نظارت بر فرآیند تولید و انجام تنظیمات لازم تا بتواند اهداف کیفیت یا تولید را برآورده کند. همه این ها زمانی به صورت فرآیندهای دستی انجام می شدند ، اما با وجود حسگرهای هوشمند این فرایندها به صورت خودکار صورت می گیرند .

حسگرهای هوشمند نیز نقش کلیدی در پیشرفت سیستم های امنیتی مدرن دارند. سنسورهای تصویربرداری حرارتی گرمای بدن یک مزاحم را تشخیص می دهند. به طور مشابه دستگاه هایی مانند قفل هوشمند ، حسگرهای حرکتی و سنسورهای پنجره و در معمولاً به یک شبکه مشترک متصل می شوند. این به حسگرهای امنیتی اجازه می دهد تا با هم کار کنند تا تصویری جامع از وضعیت امنیتی فعلی ایجاد کنند. آنها اغلب در خانه ها و کاربردهای صنعتی برای تشخیص نشتی های مختلف نیز استفاده می شوند.

انواع سنسورها از نظر فیزیکی

سنسورهای نور و الکترو مغناطیس: که شامل حسگرهای RFD برای کاربردهای خرده فروشی و لجستیک/ حسگرهای تصویربرداری و هویت برای کاربردهای امنیتی / حسگرهای نور برای اتوماسیون در ساختمان های هوشمند / سنسورهای رادیواکتیویته برای کاربردهای ایمنی و بهداشتی هستند.

سنسورهای حرارتی: نظارت بردمای اتاق در ساختمان های هوشمند / نظارت بر محیط زیست / نظارت بر دمای مواد در مدیریت فرآیندهای صنعتی

سنسورهای لرزش صدا: سنسورهای لرزه ای برای ایمنی منطقه / فشار صدا برای نظارت بر سلامت و اتوماسیون و فرایندهای صنعتی / نظارت بر صداهای خاص برای برنامه های مدیریت شهری مانند صدای شلیک گلوله / برنامه های کاربردی سلامت شخصی مانند تناسب اندام / حسگرهای ارتعاش برای نگهداری مبتنی بر قابلیت اطمینان تجهیزات در کارخانه ها یا سازمان های صنعتی

سنسورهای ماده و مواد: بسیاری از برنامه های کاربردی برای اتوماسیون محیطی ، ایمنی ، بهداشت ، کشاورزی و محیط زیست به حسگرهای مایع و گاز خاصی نیاز دارند . مانند حسگرهایی برای تشخیص حضور شیمیایی یا اکسیژن ، دی اکسید کربن ، رطوبت یا سطح آب .

سنسورهای زمان و مکان: سنسورهای مکان در سیستم اطلاعات جغرافیایی برای مدیریت لجستیک برنامه های شخصی / یا سنسورهای زمان برای سرعت ، شتاب و مدیریت خودرو و ترافیک

ویژگی هایی که هنگام انتخاب سنسور باید در نظر گرفته شود به شرح زیر می باشد.

• دقت: توافق بین مقدار واقعی و مقدار اندازه گیری شده.

• وضوح: تغییر در متغیر اندازه گیری شده که سنسور به آن پاسخ می دهد.

• تکرارپذیری: تغییر اندازه گیری سنسور زمانی که یک کمیت چندین بار اندازه گیری می شود.

• محدوده: حد بالایی و پایینی متغیر قابل اندازه گیری.

• حساسیت: حداقل ورودی پارامتر فیزیکی که یک تغییر خروجی قابل تشخیص ایجاد می کند. در برخی از حسگرها، حساسیت به عنوان تغییر پارامتر ورودی مورد نیاز برای ایجاد تغییر استاندارد خروجی تعریف می‌شود.

• خطی بودن: خطی بودن حسگر بیانگر میزانی است که منحنی اندازه گیری شده واقعی یک سنسور از منحنی ایده آل فاصله می گیرد.

سنسورهای مورد استفاده در اینترنت اشیاء IOT

برخی از سنسورهای که در اینترنت اشیا کارکرد گسترده ای دارند به شرح زیر می باشد:

سنسورهای دما

طبق تعریف، «دستگاهی که برای اندازه‌گیری مقدار انرژی گرمایی استفاده می‌شود و امکان تشخیص تغییر فیزیکی دما از یک منبع خاص و تبدیل داده‌های آن به یک دستگاه یا کاربر را می‌دهد، به عنوان سنسور دما شناخته می‌شود».از این سنسورها مدت زیادی است که در برخی دستگاه ها استفاده می شود اما با ظهور اینترنت اشیاء گستره استفاده از آن ها در دستگاه های مختلف بسیار زیاد شده است.

تاچند سال پیش، استفاده از آنها عمدتاً در کنترل تهویه مطبوع، یخچال و دستگاه‌های مشابهی بود که برای کنترل محیطی استفاده می‌شدند. با این حال، با ظهور دنیای اینترنت اشیا، آنها نقش خود را در فرآیندهای تولید، کشاورزی ، صنعت و سلامت پیدا کردند.

در فرآیند تولید، بسیاری از ماشین‌ها به دمای محیطی خاص و همچنین دمای دستگاه نیاز دارند. با این نوع اندازه گیری، فرآیند تولید همیشه می تواند بهینه باقی بماند . از سوی دیگر، در کشاورزی، دمای خاک برای رشد محصول بسیار مهم است و این به تولید گیاهان کمک می کند و بازده را به حداکثر می رساند.

در زیر چند زیر مجموعه از سنسورهای دما آورده شده است:

ترموکوپل ها: دستگاه های ولتاژی هستند که اندازه گیری دما را با تغییر ولتاژ نشان می دهند. با بالا رفتن دما، ولتاژ خروجی ترموکوپل افزایش می یابد.

ردیاب های دمای مقاومتی (RTD): مقاومت دستگاه با دما نسبت مستقیم دارد و با افزایش دما ، مقاومت به طور مثبت افزایش می یابد.

ترمیستورها: یک مقاومت حساس به دما است که مقاومت فیزیکی آن با تغییر دما، تغییر می کند.

آی سی (نیمه هادی): دستگاه های خطی هستند که در آن ها رسانایی نیمه هادی به صورت خطی افزایش می یابد و از خواص مقاومت متغیر مواد نیمه هادی بهره می برد که میتواند دما را به صورت دیجیتال به ویژه در دماهای پایین ارائه دهد.

حسگرهای مادون قرمز: دما را با رهگیری بخشی از انرژی مادون قرمز ساطع شده از جسم یا ماده و سنجش شدت آن تشخیص می دهد. از آنها میتوان برای اندازه گیری دمای جامدات و مایعات استفاده کرد. استفاده از آن بر روی گازها به دلیل ماهیت شفاف آنها امکان پذیر نیست.

سنسور مجاورت

دستگاهی که وجود یا عدم وجود یک شیء نزدیک یا خصوصیات آن شی را تشخیص می دهد و آن را به سیگنالی تبدیل می کند که توسط کاربر یا یک ابزار الکترونیکی ساده بدون تماس با آنها به راحتی قابل خواندن باشد.

حسگرهای مجاورت عمدتاً در صنعت خرده‌فروشی استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند حرکت و ارتباط بین مشتری و محصولی که ممکن است به آن علاقه داشته باشند را تشخیص دهند و کاربر بلافاصله از تخفیف‌ها و پیشنهادات ویژه محصولات نزدیک مطلع می‌شود. یکی دیگر از موارد استفاده قابل توجه که از گذشته رایج بوده، وسایل نقلیه است. هنگام دنده عقب سنسور مجاورت در صورت تشخیص مانع با آلارم اطلاع رسانی می کند ، آنها همچنین در پارکینگ های مورد استفاده در مکان هایی مانند مراکز خرید، استادیوم ها یا فرودگاه ها استفاده می شوند.

برخی از سنسورهای مجاورت به شرح زیر دسته بندی شده اند:

حسگرهای القایی: حسگرهای مجاورتی القایی برای تشخیص غیر تماسی برای یافتن حضور اجسام فلزی با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی یا پرتوی از تابش الکترومغناطیسی استفاده می شوند. این می تواند با سرعت های بالاتر از سوئیچ های مکانیکی کار کند و همچنین به دلیل استحکام آن قابل اعتمادتر به نظر می رسد.

حسگرهای خازنی: حسگرهای مجاورتی خازنی می توانند اهداف فلزی و غیرفلزی را شناسایی کنند. تقریباً تمام مواد دیگر دی الکتریک با هوا متفاوت هستند. می تواند اجسام بسیار کوچک را از طریق بخش بزرگی از هدف حس کند. بنابراین، به طور کلی در برنامه های پیچیده و پیچیده استفاده می شود.

حسگرهای فوتوالکتریک: حسگر فوتوالکتریک از قطعات حساس به نور تشکیل شده است و از پرتوی نور برای تشخیص وجود یا عدم وجود آن استفاده می کند.این یک جایگزین ایده آل برای سنسورهای القایی است و برای سنجش از راه دور یا برای حس کردن چیزهای غیر فلزی استفاده می شود.

سنسورهای اولتراسونیک: حسگرهای اولتراسونیک نیز برای تشخیص حضور یا اندازه‌گیری فاصله اهداف مشابه رادار یا سونار استفاده می‌شوند. این یک راه حل قابل اعتماد برای شرایط سخت است.

سنسور فشار

سنسور فشار وسیله ای است که فشار را حس کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. در اینجا، مقدار به سطح فشار اعمال شده بستگی دارد.

بسیاری از دستگاه ها به مایع یا سایر اشکال فشار متکی هستند. این حسگرها سیستم‌ها ودستگاه هایی از اینترنت اشیا که تحت فشار پیشران هستند، نظارت می‌کنند. با هر انحراف از محدوده فشار استاندارد، دستگاه در مورد مشکلاتی که باید برطرف شود، به مدیر سیستم اطلاع می دهد.

استفاده از این سنسورها در ساخت و نگهداری سیستم های آب کامل و سیستم های گرمایش بسیار مفید است، زیرا به راحتی می توان هرگونه نوسان یا افت فشار را تشخیص داد.

سنسور کیفیت آب

سنسورهای کیفیت آب، کیفیت آب و نظارت بر یون را، در درجه اول در سیستم های توزیع آب، تشخیص می دهند . استفاده از این سنسورها به دلیل اهمیت کنترل کیفیت آب در صنایع مختلف ضروری است.

در زیر لیستی از رایج ترین نوع سنسورهای آب مورد استفاده آمده است:

سنسور باقیمانده کلر: باقیمانده کلر (یعنی کلر آزاد، مونوکلرامین و کلر کل) را در آب اندازه گیری می کند و به دلیل کارایی آن بیشترین استفاده را به عنوان یک ضد عفونی کننده دارد.

سنسور کربن آلی : سنسور TOC عناصر آلی موجود در آب را اندازه گیری می کند.

سنسور کدورت: سنسورهای کدورت، جامدات معلق در آب را اندازه گیری می کنند. به طور معمول، در اندازه گیری رودخانه و جویبار، فاضلاب و اندازه گیری پساب استفاده می شود.

سنسور رسانایی: اندازه‌گیری‌های رسانایی در فرآیندهای صنعتی عمدتاً برای به دست آوردن اطلاعات در مورد غلظت کل یونی (به عنوان مثال، ترکیبات محلول) در محلول‌های آبی انجام می‌شود.

سنسور pH: سطح pH آب محلول را اندازه گیری می کند و نشان می دهد که چقدر اسیدی یا بازی (قلیایی) است.

حسگر پتانسیل کاهش اکسیژن: اندازه گیری ORP بینش هایی را در مورد سطح واکنش های اکسیداسیون/کاهش در محلول ارائه می دهد.

سنسور شیمیایی

سنسورهای شیمیایی در صنایع مختلف کاربرد دارند. هدف آنها نشان دادن تغییرات در مایع یا کشف تغییرات شیمیایی هوا است. آنها در شهرهای بزرگتر، جایی که ردیابی تغییرات و حفاظت از جمعیت ضروری است، نقش اساسی دارند.

موارد استفاده اولیه از حسگرهای شیمیایی را می توان در نظارت بر محیط صنعتی و کنترل فرآیند، تشخیص مواد شیمیایی مضر به طور عمدی یا تصادفی، تشخیص مواد منفجره و رادیواکتیو، فرآیندهای بازیافت در ایستگاه فضایی، صنایع داروسازی و آزمایشگاه ها و غیره یافت.

در زیر متداول ترین انواع سنسورهای شیمیایی مورد استفاده ذکر شده است:

ترانزیستور اثر میدان شیمیایی

کمیریستور

سنسور گاز الکتروشیمیایی

سنسور فلورسنت کلرید

سنسور سولفید هیدروژن

سنسور مادون قرمز غیر پراکنده

الکترود شیشه ای pH

سنسور پتانسیومتری

سنسور نانورود اکسید روی

سنسور گاز

حسگرهای گاز مشابه سنسورهای شیمیایی هستند اما به طور خاص برای نظارت بر تغییرات کیفیت هوا و تشخیص وجود گازهای مختلف استفاده می شوند. مانند سنسورهای شیمیایی، آنها در صنایع متعددی مانند تولید، کشاورزی و بهداشت استفاده می شوند و برای نظارت بر کیفیت هوا، تشخیص گازهای سمی یا قابل احتراق، نظارت بر گازهای خطرناک در معادن زغال سنگ، صنایع نفت و گاز، تحقیقات آزمایشگاهی شیمیایی و تولید استفاده می شوند. به عنواان مثال در رنگ، پلاستیک، لاستیک، دارویی و پتروشیمی و غیره

در زیر برخی از سنسورهای رایج گاز آورده شده است:

سنسور دی اکسید کربن

دستگاه تنفس

آشکارساز مونوکسید کربن

سنسور مهره کاتالیزوری

سنسور هیدروژن

سنسور آلودگی هوا

سنسور اکسید نیتروژن

سنسور اکسیژن

مانیتور اوزون

سنسور گاز الکتروشیمیایی

آشکارساز گاز

رطوبت سنج

سنسور دود

سنسور دود دستگاهی است که دود (ذرات معلق در هوا و گازها) و سطح آن را حس می کند.

استفاده از این سنسورها از گدشته تا به حالوجود داشته است ، با این حال با توسعه اینترنت اشیا، استفاده از آن ها بسیارموثر شده است، زیرا به سیستمی متصل می شوند که بلافاصله کاربر را از هر مشکلی که در صنایع مختلف رخ می دهد مطلع می کند.

حسگرهای دود به طور گسترده توسط صنایع تولیدی، تهویه مطبوع، ساختمان‌ها و محل‌های زیربنایی برای تشخیص آتش‌سوزی و گاز استفاده می‌شوند و از افرادی که در محیط های خطرناک کار می کنند محافظت می کند، زیرا این سیستم بسیار موثرتر از محیط های قدیمی تر است.

انواع رایج سنسورهای دود

حسگرهای دود وجود دود، گاز و شعله را در اطراف میدان خود تشخیص می دهند. می توان آن را به صورت نوری با فرآیند فیزیکی یا با استفاده از هر دو روش مشاهده کرد.

سنسور دود نوری (فوتوالکتریک): سنسور دود نوری از ماشه اصلی پراکندگی نور برای سرنشینان استفاده می کند.

سنسور دود یونیزاسیون: سنسور دود یونیزاسیون بر اساس اصل یونیزاسیون کار می‌کند، نوعی شیمی برای تشخیص مولکول‌هایی که باعث تحریک می‌شوند.

استفاده از فناوری حسگر هوشمند در اینترنت اشیا

رشد سریع و محبوبیت اینترنت اشیا باعث افزایش تقاضا برای حسگرهای هوشمند شده است. سناریوهای کاربردی IoT زیادی وجود دارد که به شرح زیر است:

پوشیدنی های هوشمند: در بسیاری از دستگاه های پوشیدنی، حسگرها هسته اصلی و ارزش پیشنهادی دستگاه هستند. دستگاه‌های واقعیت افزوده و ترکیبی مجازی (VR/AR/MR) به مجموعه کاملی از حسگرها متکی هستند تا کاربران را قادر به تعامل با محیط اطراف خود کنند، در حالی که محتوای مجازی به مجموعه‌ای از حسگرها نیاز دارد تا تعامل انسان با محیط را فعال کند. به عنوان مثال می توان به حسگرهای حرکتی، حسگرهای زیستی و حسگرهای محیطی اشاره کرد. یک دستگاه پوشیدنی هوشمند از پنج ماژول تشکیل شده است: پردازنده و حافظه، منبع تغذیه، ارتباط بی سیم، حسگر و محرک. در میان آنها، حسگر عنصر نوآورانه پنج ماژول است و هسته ارتباط بین افراد و اشیا است. به لطف پیشرفت‌های فناوری حسگر، پوشیدنی‌ها اکنون می‌توانند نظارت دقیق‌تری بر داده‌ها را فعال کنند.

خانه هوشمند: خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء ، همراه با نظارت بر امنیت، کنترل لوازم خانگی، کنترل نور، موسیقی و کنترل سیستم صوتی است. می‌توان آن را با مدیریت متمرکز پیوند داد تا محیط زندگی خانوادگی راحت‌تر و ایمن‌تر شود و صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به دنبال داشته باشد . سیستم خانه هوشمند از حسگرها، محرک ها، مراکز کنترل، شبکه های ارتباطی و ... تشکیل شده و از طریق سنسورهای مختلف، داده های مختلف محیط داخلی را به دست می آورد. سنسورهای مورد استفاده در خانه ها شامل سنسورهای دما، حسگرهای تصویر، حسگرهای نوری و سنسورهای رطوبت هستند.

شهرهای هوشمند: شهرهای هوشمند شهرهایی هستند که از چارچوب فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) برای بهبود مدیریت شهری و تشویق رشد اقتصادی استفاده می کنند. ICT با اینترنت اشیا (IoT) تعامل دارد، که می تواند داده های مربوط به شرایط و رویدادهای فعلی را دریافت، تجزیه و تحلیل و انتقال دهد. اینترنت اشیا شامل هر وسیله ای است که می تواند شهرها را کارآمدتر یا در دسترس تر کند، از جمله تلفن های همراه، وسایل نقلیه هوشمند، دوربین های امنیتی و حسگرهای تعبیه شده در جاده ها. ویژگی‌های اصلی شهر هوشمند زیرساخت‌های فیزیکی و فناوری، قابلیت‌های نظارت و واکنش محیطی و خدمات هوشمند برای شهروندان است. اولین مورد، شالوده فناوری است که شامل تعداد زیادی گوشی هوشمند و حسگرهای متصل شده توسط شبکه های ارتباطی پرسرعت است. لایه دوم شامل ابزارهای خاص برنامه است که به ابزارهای مناسب برای تبدیل داده های خام به هشدارها، بینش ها و اقدامات نیاز دارند. لایه سوم استفاده از شهرها، مشاغل و عموم مردم است. در یک شهر هوشمند، شبکه ای از حسگرها، دوربین ها، دستگاه های بی سیم و مراکز داده زیرساخت های حیاتی را تشکیل می دهند. در این میان، سنجش هسته زیرساخت هوشمند است، حسگرها اجزای پنهان اما همه جا حاضر در منظر شهری و بخش مهمی از هر سیستم کنترل هوشمند هستند. شبکه های حسگر شامل سنسورهای صوتی، لیدار، رادار، سنسورهای دوربین سه بعدی، حسگرهای محیطی، سنسورهای جریان، حسگرهای گاز و سنسورهای رطوبت و دما هستند. سیستم‌های حسگر یکپارچه اتصال یکپارچه با برنامه‌ها و پلتفرم‌های متمرکز را تسهیل می‌کنند. شبکه‌های حسگر هدفمند می‌توانند چندین برنامه متصل دیگر مانند نظارت بر محیط زیست و ایمنی عمومی را پشتیبانی کنند و چنین شبکه متمرکزی به کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری تکراری کمک می‌کند و نیاز به چندین شبکه پیچیده مجزا را از بین می‌برد.

حمل و نقل هوشمند: حمل و نقل هوشمند استفاده از فناوری ها و تجهیزات مختلف هوشمند برای ارتقای دیجیتالی کردن، شبکه سازی و هوشمندسازی حمل و نقل است. در میان آنها، شبکه برای توسعه حمل و نقل هوشمند بسیار مهم است. استفاده از اینترنت اشیا می تواند همه پیوندهای شبکه ترافیک را روان کند و به طور موثر نظارت بر ترافیک را تقویت کند، خدمات ترافیک و فرمت های ترافیک موجود را نیز بهبود بخشد. کاربرد سیستم حمل و نقل هوشمند (ITS) در حمل و نقل شهری در جمع آوری اطلاعات ترافیک ، کنترل ترافیک، راهنمایی و غیره منعکس شده است. با بهبود استفاده و مدیریت مؤثر اطلاعات ترافیک، عمدتاً از طریق ورودی جمع‌آوری اطلاعات، کنترل استراتژی، اجرای خروجی بین زیرسیستم‌ها و سایر زیرسیستم‌ها، انتقال داده‌ها و ارتباطات، کارایی سیستم ترافیک را بهبود می‌بخشد. زیرسیستم جمع آوری اطلاعات، اطلاعات خودرو و جاده را از طریق حسگرها جمع آوری می کند و زیرسیستم کنترل استراتژی از روش محاسبه برای محاسبه راه حل بهینه با توجه به هدف تعیین شده استفاده می کند و سیگنال کنترلی را به زیرسیستم اجرا برای هدایت و کنترل عبور وسایل نقلیه به رسیدن به هدف از پیش تعیین شده می رساند.

شبکه هوشمند: شبکه هوشمند یک سیستم شبکه برق است که توسعه منابع انرژی، تبدیل و تولید برق، انتقال و توزیع، تامین برق، فروش و مصرف برق را از طریق فناوری اطلاعات و با هدف صرفه جویی در مصرف برق محقق می کند. مزایای شبکه های هوشمند در کاهش انتشار دی اکسید کربن، صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش قطع برق نهفته است. سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای ساخت شبکه‌های هوشمند عمدتاً برای سیستم‌های توزیع برق پایانه و سیستم‌های اطلاعاتی پایانه‌های تاسیسات برق مصرف می‌شود و بخش بزرگی از آنها سرمایه‌گذاری در شبکه‌های حسگر است. ساخت شبکه حسگر بخش مهمی از تبدیل شبکه هوشمند است و نکته کلیدی این است که باید حسگرها را در ساختار سلسله مراتبی شبکه های قدرت در تمام سطوح معرفی کرد. لایه درک، لایه شبکه و لایه کاربردی سه لایه شبکه هوشمند هستند. در میان آنها، لایه درک شامل تگ ها و خوانندگان کد دو بعدی، برچسب ها و خوانندگان RFID، دوربین ها، حسگرهای مختلف و شبکه های حسگر است. عملکرد لایه درک ، درک و شناسایی اشیاء و جمع آوری و گرفتن اطلاعات است.

ساختمان های هوشمند: ساختمان های هوشمند با خانه های هوشمند متفاوت هستند و به طور خاص به ساختمان های غیر مسکونی مانند ساختمان های اداری، مراکز خرید و هتل ها اطلاق می شود. دستگاه‌های موجود در این ساختمان‌ها به حسگرهایی متصل هستند که می‌توانند اطلاعات مصرف انرژی را ارائه کنند و به‌طور خودکار برای بهینه‌سازی عملیات تصمیم‌گیری کنند. مجموعه‌ای از حسگرهای شبکه‌ای، اطلاعات محیطی و همچنین داده‌های مربوط به عملیات ساختمان و استفاده را جمع‌آوری می‌کنند. این اطلاعات می تواند در لبه پردازش شود یا به یک سیستم BMS مرکزی که در محل یا در فضای ابری اجرا می شود ارسال شود. سپس از این اطلاعات برای راه اندازی اقدامات خودکار برای تنظیم سیستم های HVAC، سیستم های روشنایی و بسیاری از دستگاه های دیگر در ساختمان استفاده می شود. ساختمان ها می توانند با ایجاد اتصالات متقابل بین زیرسیستم های مختلف با حسگرها، محرک ها و کنترل کننده ها به صورت یکپارچه هوشمند شوند.

کشاورزی هوشمند: کشاورزی هوشمند که به عنوان کشاورزی دقیق نیز شناخته می شود، از حداقل منابع مانند آب، کود و بذر برای به حداکثر رساندن محصول استفاده می کند. از طریق استقرار حسگرها و زمینه نقشه برداری، کارگران کشاورزی شروع به درک روند رشد محصولات از دیدگاه میکروسکوپی، صرفه جویی علمی در منابع و کاهش تاثیر بر محیط زیست می کنند. بسیاری از فناوری‌های سنجش در کشاورزی هوشمند استفاده می‌شوند و داده‌هایی را ارائه می‌دهند که به نظارت و بهینه‌سازی محصولات و سازگاری با عوامل محیطی در حال تغییر کمک می‌کنند. که شامل حسگرهای موقعیت، حسگرهای نوری، حسگرهای الکتروشیمیایی، حسگرهای مکانیکی، حسگرهای رطوبت خاک و حسگرهای جریان هوا هستند.

پزشکی هوشمند: سنسورهای پزشکی اغلب در دستگاه های پزشکی گران قیمت استفاده می شوند، بنابراین سنسورهای الکترونیکی پزشکی یک نوع سنسور با ارزش هستند. سنسورهای پزشکی بر اساس اصول کار و فرم های کاربردی طبقه بندی می شوند. بر طبق اصل کار، به حسگرهای فیزیکی، حسگرهای شیمیایی، حسگرهای بیولوژیکی و حسگرهای الکترود بیولوژیکی تقسیم می شوند. بر طبق فرم درخواست، به سنسورهای کاشتنی، سنسورهای کاشتنی موقت، حسگرهای خارجی، سنسورهای دستگاه‌های خارجی و حسگرهای خوراکی تقسیم می‌شوند. با توسعه فناوری مواد و فناوری الکترونیک، مواد ماتریس انعطاف پذیر به تدریج با مزایایی مانند انعطاف پذیری، خم شدن، شکل پذیری و مقاومت در برابر سایش وارد بازار پزشکی شدند. حسگرهای انعطاف پذیر دارای مزایای مواد ماتریس انعطاف پذیر هستند، بسیار سازگار با بدن انسان هستند و سازگاری خوبی با دستگاه های پوشیدنی و دستگاه های قابل کاشت دارند. سنسورهای انعطاف پذیر را می توان در باندهای هوشمند، بانداژهای هوشمند، اکسیمترهای انعطاف پذیر و سنسورهای رطوبت یونی پوشیدنی انعطاف پذیر استفاده کرد.

پایش محیطی: کاربرد فناوری حسگر در پایش محیطی در دو جنبه منعکس می شود: واکنش فیزیکی یا شیمیایی با آلاینده های موجود در مواد شناسایی شده، با تعیین اینکه آیا آلاینده در مواد وجود دارد یا خیر. سیگنال های شیمیایی به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند.

با توجه به روش های مختلف تشخیص، فناوری حسگر را می توان به حسگرهای نوری و حسگرهای الکتروشیمیایی تقسیم کرد. مکانیسم های مختلف پاسخ را می توان به حسگرهای زیستی و حسگرهای ایمنی طبقه بندی کرد. اجسام تشخیص مختلف را می توان به حسگرهای مایع و حسگرهای گاز تقسیم کرد. اصل اساسی بیوسنسورها استفاده از ژن‌های کاربردی، آنتی‌بادی‌ها و سایر مواد بیولوژیکی به عنوان مواد حساس، استفاده از دستگاه جذب سیگنال برای جمع‌آوری اطلاعات بیوشیمیایی و تبدیل اطلاعات بیوشیمیایی به سیگنال‌های الکتریکی برای تجزیه و تحلیل است. همانطور که فناوری حسگرهای زیستی به تکامل خود ادامه می‌دهد، مواد و عناصر حسگر حساس‌تر و بیشتری وجود دارند که به شناسایی دقیق آلاینده‌های بیشتر در محیط کمک می‌کنند. در مقایسه با حسگرهای سنتی، حسگرهای زیستی از عملکرد ساده‌تر، روند آزمایش سریع‌تر و دقیق‌تری بهره مند هستند. فناوری بیوسنسور بیشتر برای تشخیص محیط جوی از جمله تشخیص دی اکسید گوگرد، تشخیص دی اکسید نیتروژن، تشخیص یون فلزات سنگین، تشخیص باقی مانده آفت کش ها و غیره استفاده می شود.

ساخت هوشمند: یکی از کاربردهای معمول سنجش هوشمند در فرآیند تولید ابزارهای CNC که به طور گسترده در صنعت ساخت ماشین آلات استفاده می شود منعکس شده است. ماشین‌آلات مدرن CNC مجهز به سنسورهایی با کارایی بالا برای تشخیص جابجایی، موقعیت، سرعت، فشار و غیره هستند که می‌توانند وضعیت پردازش، سایش، مصرف انرژی و غیره را در زمان واقعی نظارت کنند و به جبران خطا و انعطاف‌پذیری دست یابند. علاوه بر این، استفاده از فناوری مانیتورینگ بصری مبتنی بر حسگرهای بصری، نظارت هوشمند بر ابزارهای CNC را راحت‌تر می‌کند. علاوه بر آن سنجش هوشمند کاربردهای زیادی در صنعت خودروسازی دارد. این فناوری می تواند در صنعت خودروسازی ، با اندازه‌گیری ابعاد کلیدی، کیفیت سطح و اثر مونتاژ محصول، این اطمینان را حاصل کند که محصول تولید شده در کارخانه از هر لحاظ واجد شرایط است. فناوری بازرسی بصری می تواند پایداری فرآیند تولید بدنه را کنترل کند ، برای اطمینان از یکپارچگی و قابلیت ردیابی محصول استفاده شود و به کاهش هزینه های تولید کمک کند.

سنسورهای استفاده شده در صنعت ، بیشتر برای بهره برداری و نگهداری تجهیزات و مدیریت سلامت استفاده می شوند. سنسور هوشمند ، سیستم کنترل را قادر می‌سازد تا قابلیت‌های خود عیب‌یابی و رسیدگی به خطا را داشته باشد همچنین بتواند توانایی سیستم را برای مقابله با محیط‌های پیچیده و کنترل دقیق بهبود بخشد. در زمینه الکترونیک صنعتی، تولید، جابجایی، بازرسی و نگهداری همگی از حسگرهای هوشمند مانند بازوهای رباتیک، وسایل نقلیه ناوبری و سایر تجهیزات تشکیل میشوند .

مزایا و معایب سنسورهای هوشمند

سنسورهای هوشمند دارای مزایای بسیاری هستند، اما چالش ها و معایبی نیز دارند.

مزایای سنسور هوشمند

زمانی که از سنسور هوشمند برای جمع‌آوری داده‌ها در مکان‌های سخت یا دور استفاده می‌شود مزایای آن پدیدار می شود. مزایای زیر به استفاده از نوع مناسب سنسور در مکان مورد نظر بستگی دارد.

بهره وری انرژی و پایداری

یک سنسور هوشمند را می توان طوری برنامه ریزی کرد که حتی نسبت به تغییرات جزئی در شرایط محیطی مانند دما، رطوبت، رطوبت یا آکوستیک بسیار حساس باشد. این اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق و قابل اعتماد، سطحی از نظارت و داده‌ها را فراهم می‌کنند که جمع‌آوری آن می‌تواند به تلاش‌های بازده انرژی و پایداری کمک کند.

دسترسی به داده ها در محیط های دشوار

حسگرهای هوشمند می‌توانند داده‌ها را در مکان‌های دوردست جمع‌آوری کنند، جایی که رفتن برای افراد دشوار یا خطرناک است. سنسورهای هوشمند بی‌سیم که از راه دور کار می‌کنند، به‌ویژه در محیط‌های چالش‌برانگیز مفید هستند.

عملکرد بالا

حسگرهای هوشمند می توانند در صورت نیاز به داده های بلادرنگ، داده ها را با ثبات و سرعت جمع آوری کنند.

تجزیه و تحلیل و پردازش داخلی

برخلاف سنسورهای سنتی، حسگرهای هوشمند دارای قابلیت‌های تحلیل داخلی و پردازش سیگنال‌ها و داده‌هایی هستند که دریافت می‌کنند و منجر به افزایش کارایی می‌شود، زیرا به ابزارها یا منابع تحلیل خارجی کمتری نیاز دارند.

معایب سنسور هوشمند

توسعه دهندگان حسگر هوشمند به طور مداوم پیشنهادات خود را برای رفع اشکالات قبلی ارائه داده اند و در آینده نیز به این کار ادامه خواهند داد. با این حال، ممکن است مدتی طول بکشد تا معایب فعلی این دستگاه ها برطرف شود:

·        چنانچه اقدامات امنیت سایبری دستگاه کافی نباشد، کسانی که به دنبال دسترسی به داده‌های جمع‌آوری‌شده برای استفاده های شخصی هستند، می‌توانند دستگاه را هک کنند.

·        بسیاری از دستگاه ها مقرون به صرفه هستند اما هزینه نگهداری اضافی که در طول زمان مورد نیاز خواهد بود نیز می تواند گران باشد.

·        سنسورها در برخی مواقع به دلیل تأخیر داده یا سایر مشکلات نیاز به کالیبراسیون یا ارتقا دارند. دسترسی به مواردی که در تنظیمات از راه دور یا محیط های چالش برانگیز قرار دارند ممکن است دشوار و پرهزینه باشد.

·        سیستم‌های حسگر هوشمند ممکن است به سطوحی از تخصص فناوری اطلاعات نیاز داشته باشند که همه سازمان‌ها تخصص و تجربه آن را ندارند. ممکن است به استخدام یا آموزش جدید نیاز باشد.

·        چه در یک خانه هوشمند یا یک محیط صنعتی، قبل از استقرار دستگاه های اینترنت اشیا، عوامل دیگری مانند مصرف برق مورد نیاز، نیاز به اتصال آنلاین پایدار و توانایی مدیریت حجم بالاتر داده ها باید در نظر گرفته شوند.

مزایای سنسورهای هوشمند در IIoT

بهبود کارایی

کارایی نتیجه ای است که از طریق تلاش هر عضو یک سیستم حاصل می شود . جهت افزایش ضریب کارایی باید اعضای سیستم تلاش بیشتری داشته باشند اما راه دیگر افزایش بهره وری، به حداقل رساندن تلفات (پول، زمان و انرژی) است. IIoT به صنایع کمک می کند تا با بهینه سازی فرآیندهای موجود، سطح کارایی خود را افزایش دهند. از طریق سنسورهای هوشمند ، نسبت به عملکرد دستگاه آگاهی کامل دارد و علاوه بر اطلاع از مصرف انرژی دستگاه، می توان ضمن بهبود عملکردهای اصلی ، از هزینه های غیر ضروری جلوگیری کرد. ماشین های هوشمند از طریق سنسورها می توانند جزئیات کاملی را درباره نحوه کار ، مدت زمان فعال بودن و بازه های زمانی که در آن با اخلال مواجه شده اند ، انتقال دهند.

بهبود ایمنی

با استفاده از سنسورها و مانیتورینگ دستگاه ها، می توان حوادث محیط کار را کاهش داد. با ورود داده ها و هشدار به اپراتورهای دستگاه معیوب یا گرمای بیش از حد قطعه ، می توان اقدامات لازم را برای جلوگیری از آسیب به کارگران و دستگاه قبل از رسیدن به نقطه بحرانی انجام داد.

تعمیرات قابل پیش بینی

تعمیر و نگهداری دستگاه ها باعث دردسرهای زیادی در صنایع می شود زیرا در زمان تعمیر، ماشین آلات از چرخه کاری خارج می شوند و در هر دقیقه شرکت با ضرر و زیان مواجه می شود. سنسورهای هوشمند داده های ارزشمندی را در مورد دستگاه ها ارائه می دهند که از طریق آن ها می توان عیب دستگاه را قبل از اینکه خراب شوند شناسایی کرد و آن ها را تعمیرنمود. با این مزیت احتمال از کار افتادن دستگاه بسیار کاهش است.

افزایش آپتایم ( مدت زمانی که یک سرور بدون اختلال و تأخیر به کار خود ادامه می دهد.)

شرکت ها در تلاشند تا زمان آپتایم را به روش های مختلف افزایش دهند و IIOT با استفاده از سنسورها، از طریق نظارت بر دستگاه ها و تعمییر و نگهداری پیش بینی شده ، این مسیر را فراهم می آورد. سنسورهای هوشمند زمانی موثر هستند که در کنترل و مدیریت تولید از آن ها بهره برد وب ه کسب و کارهای تولیدی اجازه می دهند تا بر قسمت های مختلف محیط کار نظارت کنند.

یکی از مزایای ماشین‌ها که در شبانه‌روز به خوبی کار می‌کنند این است که شرکت می‌تواند زمان طولانی‌تری را حفظ کند. این یک منطق ساده است که وقتی ماشین‌ها برای مدت طولانی‌تری کار می‌کنند، بهره‌وری بالاتر است. شرکت‌ها در تلاش هستند تا زمان کار را به روش‌های مختلف افزایش دهند، و IIoT راه بصری‌تری برای انجام این کار از طریق نظارت بر ماشین و تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده در اختیار آنها قرار می‌دهد. هدف نهایی این است که کارخانه یا صنعت با راندمان بالا بدون ایجاد خرابی های اساسی در ماشین آلات کار کند. از طریق نظارت مستمر بر این پارامترها، امکان تشخیص ناهنجاری‌ها در فرآیندهای تولید، شناسایی راه‌های بهبود بازده عملیاتی و همچنین جلوگیری از موقعیت‌های خطرناک در محیط کار وجود دارد.

بهینه سازی زنجیره تامین

سنسورهای هوشمند وقتی مجهز به GPS هستند، به ردیابی بلادرنگ دارایی‌ها، موجودی‌ها و وسایل نقلیه و در بسیاری از موارد افراد نیز کمک می‌کنند. تخمین زمان رسیدن، ارزیابی حامل، باراندازی متقابل و سایر چالش‌های تحویل آسان می‌شود. این دستگاه‌ها با جمع‌آوری داده‌های بی‌درنگ درباره محموله‌ها، به پیش‌بینی زمان حمل و نقل کمک می‌کند و ذینفعان مربوطه را در جریان نگه می‌دارد . داده های حسگرها برای به دست آوردن اطلاعات در مورد وضعیت کالاهای در حال حمل و نقل برای جلوگیری از تلفات عملیاتی مفید است. این حسگرها همچنین موقعیت و دمای کالا و حضور ان در قفسه را نیز کنترل می کنند. با این دستگاه‌ها، مدیریت موجودی با ردیابی تولید از ابتدایی‌سازی تا تحویل نهایی آسان است. با دسترسی به داده های بلادرنگ، یک زنجیره تامین مبتنی بر حسگر هوشمند می تواند موجودی را برای هر چرخه تولید آینده پیش بینی کند.

استفاده بهتر از دستگاه ها و تجهیزات

حسگرهای هوشمند به طور مداوم داده ها را برای نظارت بر تجهیزات مورد استفاده در تولید جمع آوری می کنند و در نتیجه خرابی ها و موارد احتمالی خرابی را پیش بینی می کنند و با توجه به سلامت دستگاه باعث کوتاه شدن زمان خرابی و کاهش قابل توجه هزینه های تعمیر می شود.

نظارت مستمر بر فرآیندها برای کیفیت بهتر و ایمنی کارگران

سنسورهای هوشمند با نظارت مداوم بر پارامترهایی مانند دما، فشار و رطوبت، محیطی سالم را برای فعالیت‌های مرتبط با درگیری فیزیکی تضمین می‌کنند. حفظ کیفیت فرآیند با حفظ محیط کاری بدون خطر، اولویت هر شرکت یا کارخانه تولیدی و فرآوری است. با این حال، برای تسهیل چنین شرایطی، جمع‌آوری داده‌ها ضروری است که سنسورهای هوشمند این امکان را فراهم می کنند. این دستگاه ها سبک هستند و برای کارکردن به انرژی زیادی نیاز ندارند. در همان زمان، آنها می توانند به صورت شبانه روزی کار کنند تا تمام فرآیندهای حیاتی را بررسی کنند.

ساختمان های متصل

ساختمان متصل مفهوم جدیدی است که با هدف بهبود کارایی کلی ساختمان و در عین حال بهبود کیفیت فضای کاری یا زندگی برای افراد درون آن انجام می شود. این یک واقعیت است که ما 90 درصد از زمان خود را در ساختمان ها صرف می کنیم. با استفاده از حسگرهای هوشمند، می توان کارایی تجهیزات ساختمانی مانند برق، سرمایش، گرمایش، روشنایی و موارد دیگر را از طریق یک محیط متصل که امکان کنترل و نظارت از راه دور همه دستگاه ها را فراهم می کند، بهبود بخشید.

سنسورهای هوشمند چه تفاوتی با سنسورهای معمولی دارند؟

سنسورهای هوشمند شامل یک پردازشگر دیجیتال حرکتی تعبیه شده (DMP) هستند، در حالی که در سنسورهای اولیه پردازنده وجود ندارد. DMP یک ریزپردازنده است که در سنسور ادغام شده است که به سنسور اجازه می دهد تا پردازش داده های حسگر را انجام دهد. یک حسگر هوشمند داده ها را قبل از هرگونه ارتباط با دستگاه های خارجی مورد پردازش قرار می دهد.

حسگرهای اولیه به سادگی حسگری است که مجهز به DMP یا سایر منابع محاسباتی نیست که به آن امکان پردازش داده ها را بدهد. در حالی که یک سنسور هوشمند خروجی آماده برای استفاده تولید می کند، خروجی سنسور پایه خام است و معمولاً باید به فرمت قابل استفاده تبدیل شود.

سنسورهای هوشمند معمولاً بر حسگرهای اولیه ترجیح داده می شوند زیرا دارای قابلیت پردازش بومی هستند. با این حال، شرایطی وجود دارد که ممکن است استفاده از حسگر پایه سودمندتر باشد. اگر یک مهندس در حال طراحی یک دستگاه است و نیاز به کنترل کامل بر ورودی سنسور دارد، در آن صورت یک سنسور اولیه ترجیح داده می شود.

سنسورهای اولیه همچنین هزینه کمتری نسبت به سنسورهای هوشمند دارند زیرا دارای اجزای کمتری هستند.

حسگرهای هوشمند اساساً فرآیندهای روزمره را از طریق جمع آوری، پردازش و انتقال داده ها در زمان واقعی به هوشمند تبدیل می کنند. این دستگاه‌ها با ورود اتوماسیون در فرآیندها و جریان‌های کاری، مزایای فوق‌العاده‌ای را برای افراد و مشاغل به ارمغان آورده اند . نقش این حسگرهای هوشمند همچنان پررنگ باقی خواهد ماند زیرا متقاضیان بی شماری با پذیرش IoT جهت بهره‌وری و کارایی بهتر وارد دنیای هوشمند شده اند و اینترنت اشیاء بدون سنسورها نمی توانست وجود داشته باشد.