כיצד להשתמש בהיתוך חיישנים כדי לשפר את תהליכי הייצור והלוגיסטיקה של Industry 4.0

היתוך חיישנים משלב נתונים ממספר חיישנים כדי לספק הבנה מפורטת יותר ועם ניואנסים של פעולת המערכת או הסביבה. במקרים רבים, ניתן להתגבר על החולשה של טכנולוגיית חיישן אחד על ידי הוספת (היתוך) מידע מטכנולוגיית חיישן שני. הוספת בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) יכולות לשפר את העוצמה של היתוך חיישנים.

ישנם מספר אתגרים בהתמודדות עם מימוש היתוך חיישנים. לדוגמה, יכול להיות קשה לפתח פתרון מאוזן ולא "להעדיף" אחת מהטכנולוגיות על פני האחרות. זה יכול לגרום לחוסר מדרגיות וביצועים מופחתים. אחת הדרכים להתמודד עם אתגר זה היא לשלב מספר טכנולוגיות חיישנים במארז יחיד. היתוך חיישנים אינו מוגבל לשימוש במספר חיישנים נפרדים.

ללא קשר לרמת שילוב החיישנים, הוספת AI‏ או ML יכולה לשפר את הביצועים, אך האימון יכול להיות מורכב וגוזל זמן. במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש בחיישנים לאימון-עצמי עם יכולות AI ו-ML משובצות.

מאמר זה מתחיל בסקירת מימוש היתוך חיישנים באמצעות חיישנים בדידים, MCU של Bit‏-32‏ ותוכנת ML. לאחר מכן הוא מציג סדרה של פתרונות היתוך חיישנים משולבים ודוגמאות יישומים במתקנים לוגיסטיים, מרכזי נתונים, אוטומציה של תהליכים, טיפול בחומרים וציוד חקלאי.

המאמר מסיים בהתבוננות בפתרון היתוך חיישני סביבה משולב עם תוכנת AI משולבת. במהלך הדיון יכללו התקנים לדוגמה של Renesas Electronics‏, Sensirion‏, TE Connectivity‏, ACEINNA‏, Bosch Sensortec‏ ו-TDK InvenSense‏.

המתכננים יכולים לבחון אפשרויות היתוך חיישנים באמצעות לוח תכן ייחוס של Renesas. הלוח מבוסס על MCU של Bit‏-32‏ עם ליבת Cortex®-M4‏ ®Arm‏ של MHz‏ 120‏, זיכרון Flash‏ קוד של עד MB‏-2‏, ו-SRAM של KB‏ 640, פלוס אפשרויות ממשק וחיבוריות רבות.

ערכת ההערכה הקשורה ממוטבת עבור תכנים רבי-חיישנים והיתוך חיישנים. היא כוללת חיישן איכות אוויר, חיישן אור, חיישן טמפרטורה ולחות, יחידת מדידה אינרציאלית בת 6 צירים (IMU), מיקרופון וחיבוריות (Bluetooth Low Energy (BLE (איור 1). תכן הייחוס כולל גם פלטפורמת ML אוטומטית עבור התקני קצה ויישומי היתוך חיישנים.

איור 1: לוח פיתוח והערכת היתוך חיישנים IoT‏ עם תוכנת פיתוח ML‏ אוטומטית וחיבוריות BLE‏. (מקור התמונה: Renesas Electronics)

ייצוב חיישני נטייה

חיישני נטייה הם IMUs מיוחדים המשמשים ביישומים שונים, כולל מכונות חקלאיות, רכבי שטח, טיפול בחומרים וציוד בנייה כבד. תקני בטיחות דורשים לעיתים חיישני נטייה כדי להבטיח סביבות פעולה בטוחות. חיישני נטייה ניתן להרכיב יחד באמצעות מספר התקנים בדידים, אך זה עלול להיות מסובך.

הליבה של מרבית תכני חיישן נטייה היא חיישן ג'ירוסקופי (ג'ירו) המודד את המהירות הזוויתית או את קצב הסיבוב סביב ציר. זה נהדר אם הפלטפורמה בתנועה, אבל אם היא מפסיקה לנוע, נניח כשהיא מוטה בזווית של 20 מעלות, יציאת החיישן היא לאפס. בנוסף, ג'ירו יכול לחוות סחיפה משמעותית לאורך זמן, כאשר השגיאות מצטברות ובסופו של דבר מייצרות מדידה שאינה מדויקת או שימושית יותר.

כדי להתמודד עם מגבלות הג'ירו, פתרונות חיישני נטייה דינמיים מוסיפים מד תאוצה למדידת התנועה. כך תדע המערכת מתי היא מפסיקה לנוע ויאפשר לה להשתמש ביציאה האחרונה מהג'ירו כדי להעריך את זווית הנטייה. החלק האחרון בפאזל הוא חיישן טמפרטורה המפצה על ההשפעות של טמפרטורות משתנות על הג'ירו ומד התאוצה.

מסנני Kalman‏ משמשים לעיתים קרובות עבור היתוך חיישנים בחיישני נטייה. ניתן להשתמש במסנן Kalman‏ סטנדרטי המבוסס על הערכה ריבועית ליניארית אם החיישנים פועלים באזור הליניארי של הביצועים. מסנני Kalman‏ יכולים לייצר הערכות מצב מדויקות יחסית אפילו במערכות כמו חיישני נטייה עם אי-ודאות אינהרנטית ושגיאות מצטברות.

חיישני נטייה הפועלים באזור לא-לינארי יכולים ליהנות ממסנן Kalman‏ מורחב המיישר את ההערכות באמצעות ערך ממוצע נוכחי וקו-ואריאנס.

חיישני נטייה כמו ה-AXISENSE-G-700‏ של TE Connectivity‏ וה-MTLT305D‏ של ACEINNA‏ הם בעלי חישת תנועה עם שש דרגות חופש (DoF‏ 6‏), שלוש מהג'ירו ושלוש ממד-התאוצה, והם משתמשים בטכניקות מסנן Kalman‏ עבור היתוך חיישנים (איור 2‏).

איור 2‏: חיישן הנטייה The AXISENSE-G-700‏ מתיך נתוני תאוצה, סיבוב וטמפרטורה כדי לספק נתוני נטייה מדויקים בסביבות דינמיות. (מקור התמונה: TE Connectivity)

התכת תשעה-באחד

בעוד ש-DoF‏ 6‏ מספיקים במקרים רבים, כמה יישומי מעקב תנועה כמו רחפנים, רכבים והתקני מציאות מדומה יכולים להפיק תועלת מהמידע הנוסף המסופק באמצעות DoF‏ 9‏.

מודול OPENIMU300RI‏ של ACEINNA מתוכנן עבור שימוש ברכבי בנייה וחקלאות ובכלי רכב עם V‏ 12‏ ו-V‏ 24‏. בנוסף לג'ירו ומד-תאוצה, ל-IMU זה יש מגנומטר מגנטו-התנגדותי אניזוטרופי (AMR‏) DoF‏ 3‏.

מעבד ARM קולט את נתוני החיישנים ומממש OpenIMU‏, חבילת קוד-פתוח עבור IMU, מערכת מיקום גלובלית (GPS) ומערכת ניווט אינרציאלית (INS‏). החבילה כוללת מסנן Kalman‏ הניתן להתאמה-מיוחדת עבור היתוך חיישנים.

TDK InvenSense מציעה גם כן התקן מעקב תנועה בן 9 צירים. לדגם ICM-20948‏ יש תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C‏+, ההופך אותו למתאים עבור יישומים שונים בסביבות מאתגרות כמו אוטומציה תעשייתית ומערכות אוטונומיות. הוא כולל ג'ירו שלושה-צירים מבוסס מערכת מיקרו-אלקטרו-מכנית (MEMS), מד תאוצה שלושה-צירים מבוסס MEMS, ומגנטומטר/מצפן שלושה-צירים מבוסס MEMS.

בנוסף לחיישני תנועה DoF‏ 9‏, ל-ICM-20948 יש ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADC) עצמאיים עבור כל חיישן, מעגלי אכשור אותות ומעבד תנועה דיגיטלי (DMP) (איור 3).

איור 3: פלטפורמת חיישן משולבת זו תומכת ב-DoF‏ 9‏ באמצעות ג'ירו שלושה-צירים ומד תאוצה שלושה-צירים (צד שמאל) בתוספת מגנומטר/מצפן שלושה-צירים (ימין למטה). (מקור התמונה: TDK InvenSense‏)

כמה מהפרטים של ה-ICM-20948 כוללים:

שלושה ג'ירו'ס קצב MEMS‏ רעידות עצמאיים. אם הג'ירו'ס מסתובבים סביב כל אחד משלושת הצירים, אפקט קוריוליס גורם לרעידות המתגלות על ידי קליטה קיבולית. יציאת הקליטה מעובדת כדי ליצור מתח שהוא פרופורציונלי לקצב הזוויתי.

למד התאוצה MEMS בעל 3 צירים יש מסות נפרדות לכל ציר. האצה לאורך ציר מעבירה את המסה המתאימה, אותה מגלה קליטה קיבולית. כאשר ה-ICM-20948 מונח על משטח ישר, הוא ימדוד 0g על צירי ה-X וה-Y ו-1g‏+ על ציר ה-Z.

המגנומטר מבוסס על טכנולוגיית חיישן Hall‏. הוא מגלה מגנטיות יבשתית בצירי X‏, Y‏ ו-Z‏. יציאת החיישן נוצרת באמצעות מעגל דוחף חיישן, מגבר, ADC של Bit‏-16‏ ומעגל אריתמטי עבור עיבוד האות המתקבל. לכל ציר יש תחום-מלא של µT‏ 4,900‏±.

ה-DMP ב-ICM-20948‏ הוא דיפרנציאטור. כמה מהמאפיינים והיתרונות שלו כוללים:

• הפחתת עומס עיבוד אלגוריתמי התנועה מהמעבד המארח ממזערת את צריכת ההספק ומפשטת את התזמון ואת ארכיטקטורת התוכנה. ה-DMP מבטיח שניתן להריץ אלגוריתמי עיבוד תנועה בקצב גבוה, בסביבות Hz‏ 200‏, כדי לספק תוצאות מדויקות עם שיהוי (Latency‏) קצר. פעולה ב-Hz‏ 200‏ היא מומלצת, אפילו אם היישום מתעדכן בקצב איטי הרבה יותר, כגון Hz‏ 5‏. הפרדת קצב עיבוד ה-DMP מקצב עדכון היישום מבטיח ביצועי מערכת חסונים יותר.
• ה-DMP מאפשר ריצה בהספק אולטרה-נמוך וכיול ברקע של החיישנים. יש צורך בכיול כדי לשמור על ביצועים אופטימליים של חיישנים בודדים ותהליכי היתוך חיישנים לאורך כל חיי ההתקן.
• ה-DMP מפשט את ארכיטקטורת התוכנה ומאיץ את פיתוח התוכנה וכתוצאה מכך זמן הגעה מהיר יותר לשוק.

חיישני סביבה משולבים

ניטור הסביבה הוא חיוני בעיבוד ואחסון מזון, מפעלים כימיים, פעולות לוגיסטיות, מרכזי נתונים, גידולי חממה, מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) ותחומים נוספים. ניתן לאחד את מדידות הלחות היחסית (RH) והטמפרטורה כדי לחשב את נקודת הטל.

סדרת SHTC3‏ של Sensirion היא של חיישני לחות וטמפרטורה דיגיטליים הממוטבים עבור יישומים מוזני-סוללות בקצה ובאלקטרוניקה לצרכנים בנפח גבוה. פלטפורמת חיישני ה-CMOS כוללת חיישן לחות קיבולי, חיישן טמפרטורת Bandgap‏, עיבוד אותות אנלוגי ודיגיטלי, ממיר A/D, זיכרון נתוני כיול וממשק תקשורת מהיר I²C.

מארז DFN‏ קטן 2‏ x‏ 2‏ x‏ 0.75 מ"מ תומך ביישומים מוגבלי-מקום. תחום מתחי ההספקה הרחב של V‏ 1.62‏ עד V‏ 3.6‏ ותקציב אנרגיה של פחות מ-μJ‏ 1‏ לכל מדידה הופכים את ה-SHTC3 למתאים עבור התקני אלחוט או ניידים מוזני-סוללות (איור 4). לדוגמה, מק"ט SHTC3-TR-10KS‏ מסופק בכמויות של 10,000 על Digi-Reel, סרט וסליל, או סרט חתוך. המתכננים יכולים להשתמש בלוח ההערכה SHTC3 כדי להאיץ את פיתוח המערכת.

איור 4: התקן ניטור סביבה זה כולל חיישני לחות וטמפרטורה דיגיטליים. (מקור התמונה: Sensirion)

הוספת הלחץ הברומטרי

מודעות להקשר ולמיקום חשובים יותר ויותר בבקרות אוטומציה ביתית, מערכות HVAC, ציוד כושר גופני ויישומי ניווט פנים. התכנים של מערכות אלו יכולים להפיק תועלת משימוש ביחידת הסביבה המשולבת BME280‏ של Bosch Sensortec‏ המוסיפה חיישן לחץ ברומטרי לחיישני לחות וטמפרטורה.

החיישנים הם תכנים עם רעש נמוך המעניקים דיוק ורזולוציה גבוהים. חיישן הלחץ מודד לחץ ברומטרי אבסולוטי. הטמפרטורה המשולבת ממוטבת לעבודה עם חיישן הלחות כדי לקבוע את הלחות היחסית (RH) ואת נקודת הטל. הוא גם משמש כדי לספק קיזוז טמפרטורה עבור הברומטר. קיים לוח פיתוח זמין כדי להאיץ את תהליך התכנון ואינטגרציית המערכת.

AI‏ עבור חישת סביבה

Bosch Sensortec מציעה גם חיישן סביבה 4 ב-1 עם AI משובץ. ה-BME688 כולל חיישן גז וחיישני לחץ, לחות וטמפרטורה בעלי ליניאריות גבוהה ודיוק גבוה. הוא מסופק במארז עמיד של 3.0 מ"מ x‏ 3.0 מ"מ x‏ 0.9 מ"מ המתאים עבור יישומים ניידים ואחרים מוגבלי-מקום (איור 5).

איור 5‏: ה-BME688‏ של Bosch Sensortec כולל חיישן גזים פלוס לחץ, לחות וטמפרטורה, הכול עם תמיכת AI‏ משולב. (מקור התמונה: Bosch Sensortec)

חיישן הגזים יכול לגלות תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs‏), תרכובות גופרית נדיפות (VSCs‏) וגזים אחרים כמו פחמן חד-חמצני ומימן בתחום של חלקים למיליארד (ppb‏). ה-BME688 כולל פונקציית סורק גזים הניתנת להתאמה-מיוחדת עבור רגישות, סלקטיביות, קצב נתונים וצריכת הספק.

תוכנת BME AI-Studio‏ גם ממטבת את חיישן הגזים עבור תערובות גזים ויישומים אחרים. את תצורת לוח הערכה BME688‏ ניתן להגדיר עם תוכנת BME AI-Studio‏. תוכנת BME AI-Studio תומכת בתצורת חיישנים, ניתוח נתונים ותיוג, הדרכה ואופטימיזציה של פתרונות יישומים עבור מפעלים, מתקני לוגיסטיקה, בית חכם והתקני IoT.

דגימת גזים ואימון המערכת בשטח במקום במעבדה מאפשרים תכנון של אלגוריתמים ריאליסטיים יותר עם ביצועים טובים יותר המעניקים רמות אמינות גבוהות יותר בתנאי הפעולה בפועל. הודות לניצול היכולת של BME688 למדוד בו-זמנית לחות, טמפרטורה ולחץ ברומטרי, בנוסף לגזים, ניתן לפתח מודלים של AI מקיפים ומדויקים יותר.

סיכום

ניתן לפתח מערכות היתוך חיישנים עבור Industry 4.0, לוגיסטיקה ויישומים נוספים באמצעות סדרה של חיישנים בדידים או פתרון משולב הכולל מספר חיישנים במארז יחיד. התקנים משולבים יכולים לייצר פתרונות בהספק נמוך יותר עבור יישומי קצה וניידים. בין אם משתמשים בחיישנים בדידים או בחבילת חיישנים משולבת, ניתן לשפר את הביצועים על ידי הוספת AI ו-ML.