Sensores e Atuadores IoT

A Internet das Coisas (IoT) traz o valor das tecnologias da informação para o mundo físico. Através da combinação de sensores e atuadores às redes de computadores, podemos detectar o que está acontecendo no mundo físico, disponibilizar essas leituras para os algoritmos de software, calcular resultados com base nas leituras e, finalmente, direcionar os atuadores a usar esses cálculos para modificar o mundo físico. Geralmente, essas redes são de circuito fechado, o que significa que o parâmetro físico que um atuador controla é imediatamente lido de volta no sistema por um sensor, fechando um loop contínuo em tempo real e permitindo o monitoramento e o controle rígido dos processos físicos.

Sensores e Atuadores IoT

A IoT adiciona atuadores às redes de computadores e o controle do mundo físico que eles fornecem adiciona camadas de complicação aos aplicativos da IoT. No passado, problemas de sistema como erros de software, violações de segurança de computadores ou falhas de componentes podiam causar uma preocupação significativa aos gerentes de TI, porque seus dados podiam ser corrompidos, perdidos ou roubados. Quando os atuadores são adicionados à rede – especialmente se esses controladores controlam sistemas poderosos ou perigosos, como locomotivas, reatores, subestações, veículos ou dispositivos médicos – se os sistemas são hackeados ou sofrem falhas, podem ocorrer danos sérios à propriedade, ferimentos pessoais ou até a morte. Portanto, precisamos ter um cuidado especial com os dispositivos conectados (as coisas do IoT) como integridade e segurança do sistema, caso os atuadores forem incluídos.

A maioria dos sensores e atuadores inclui tipos de transdutores. Transdutores são dispositivos que convertem uma forma de energia em outra. Por exemplo, as quebras no seu carro convertem energia mecânica em energia térmica. Para sistemas de IoT, quase todos os sensores usam alguns parâmetros físicos e os transformam em sinais elétricos. Da mesma forma, quase todos os atuadores nos sistemas de IoT captam sinais elétricos e os convertem em algum tipo de saída física. Os parâmetros físicos usados ​​nos sistemas de IoT são executados por todo o livro de física. Elas podem incluir elétrica (tensão, corrente, potência, resistência, capacitância, indutância, frequência, fase, etc.), mecânica (posição, velocidade, aceleração, peso, direção da bússola, gravidade, força, tensão, pressão, fluxo, torque, campo magnético, etc.), acústico (som, vibração, movimentação sísmica, etc.), imagem (intensidade da luz, câmeras, monitores, infravermelho (IR), detecção e variação de luz (LiDAR, etc.), químico (potencial hidrogênio (pH ) concentrações, composição, pureza, etc.), médicos (frequência cardíaca, respiração, pressão arterial, temperatura, eletroencefalograma (EEG) etc.) e muito mais. Existem literalmente milhares de tipos de sensores para todos esses parâmetros físicos e para a maioria dos parâmetros que podem ser detectados e existe um atuador análogo para modificar esse parâmetro no mundo físico.

Os sensores geralmente incluem um elemento sensor bruto ou transdutor e uma cadeia de processamento de sinal para disponibilizar as leituras brutas para computadores em rede. Freqüentemente, o elemento sensor bruto – algo como um termistor, acelerômetro, microfone ou sensor de luz – produz um sinal analógico modesto/simples. Esse sinal deve passar por uma cadeia de processamento de sinal que amplifica, filtra e converte o sinal bruto em um formato que nossos computadores de controle e seus softwares possam inserir. Isso geralmente envolve conversão de analógico para digital e algum tipo de interface de computador como I²C ou USB. Sensores sofisticados usam técnicas de processamento de sinal digital para filtrar, condicionar, calcular a média e formatar as leituras do sensor no domínio digital.

Atuadores têm funções inversas. A saída digital dos computadores de controle e seus softwares são entregues através de uma interface para os drivers que captam os sinais e os convertem em quaisquer entradas que o transdutor no atuador exigir. Geralmente, isso consiste em um conversor digital-analógico, um filtro de saída e algum tipo de amplificador. Cada vez mais, técnicas digitais como processadores de sinal digital (DSPs) e amplificadores de classe D estão sendo empregadas em atuadores para torná-los mais precisos, responsivos e com menor consumo de energia.

Exemplo de uso de atuadores e sensores para funções simples de IoT, como preparar uma xícara de chá

Freqüentemente, o número e a diversidade de sensores e atuadores em redes são inesperadamente altos. Pare por um minuto e considere seu smartphone e todos os tipos de sensores e atuadores que ele inclui. Para ilustrar melhor esse ponto, vamos considerar um sistema de robô para preparar xícaras de chá. Em Star Trek, a próxima geração (Star Trek the Next Generation), o capitão Pickard se aproximava do seu replicador de alimentos e dizia “Tea, Earl Grey, Hot” e, em alguns segundos, era servido. Embora os transdutores necessários para materializar uma bebida saborosa em segundos a partir da energia pura possam não existir, pelo menos ainda não, vamos considerar um sistema prático que pode desempenhar uma função semelhante e examinar todos os sensores e atuadores que uma versão totalmente possível pode conter:

A primeira etapa deste processo é aceitar a solicitação do usuário. A encomenda pode ser feita por meio de um teclado (sensores simples de botões), um teclado capacitivo (sensores de capacitância), um microfone (sensores de som) ou uma câmera procurando por gestos (sensores de imagem). Os pedidos também podem chegar através de uma rede de computadores usando tipos de conexão que podem incluir fibra (sensores ópticos), sem fio (sensores de RF) ou com fio (sensores elétricos). Um processador local aceita essa entrada e coordena os sensores e atuadores na máquina como um sistema de controle em tempo real. Se for uma máquina de venda automática, sensores e atuadores adicionais aceitam a moeda ou os cartões de crédito e verificam se são genuínos (Figura 1).

Figura 1: Imagem de uma máquina de fazer bebidas. (Fonte: Mouser)

Os sensores monitoram continuamente a temperatura e a pressão da água de infusão no reservatório. Um aquecedor de resistência serve como atuador que controla a temperatura da água. Se houver um reservatório de água fria para bebidas fermentadas frias, ele possui seus próprios sensores de temperatura e pressão, e talvez um módulo Peltier como atuador para fornecer resfriamento termoelétrico. Existem loops de feedback dos sensores, pelo processador de controle e dos atuadores, para garantir que a água esteja na temperatura desejada para uma fermentação ideal.

Em seguida, temos que selecionar um saquinho de chá. Nossa máquina pode ter uma revista de saquinhos de chá de diferentes tipos que representam as variedades que pode fabricar. Os sensores confirmam a presença das bolsas – talvez de forma ótica ou mecanicamente. Os atuadores robóticos usam motores para indexar o compartimento para a posição correta e abaixar o saquinho de chá selecionado na estação de infusão. Outro atuador do robô pode mover o copo para a estação de fermentação e os sensores confirmam que ele está posicionado corretamente.

Agora, os atuadores de válvula se abrem para deixar a água entrar na estação de fermentação. Sensores de nível ultrassônicos medem a quantidade de copo e cortam as válvulas no momento certo. Os sensores térmicos monitoram a temperatura do chá enquanto ele é fabricado. Os motores que baixaram o saquinho de chá podem mergulhá-lo suavemente para cima e para baixo para facilitar a distribuição. Um sensor óptico pode medir a cor do chá para remover o saquinho de chá quando a força desejada for alcançada. Um atuador, como um solenóide, pode soltar o saquinho de chá usado no recipiente de resíduos.

Atuadores adicionais podem adicionar os condimentos selecionados, por exemplo, um dosador controlado por motor para medir açúcar ou creme (cream, para os americanos), ou uma válvula para adicionar mel. Sensores ópticos, de peso ou ultrassônicos nas caixas de condimentos verificam se o suprimento é adequado e os dispensadores estão medindo corretamente. Uma colherzinha robótica – exigindo que vários atuadores acionados por motor a posicionem, movam e limpem – dá uma agitação final e os atuadores abrem a porta de entrega e apresentam o copo ao usuário.

Portanto, o uso de técnicas de IoT para automatizar algo tão simples quanto preparar uma xícara de chá pode levar várias dezenas de sensores e atuadores, seus circuitos de interface, um processador bastante sofisticado e muito software. Não sei se vale a pena fazer uma máquina dessas hoje, mas como os recursos de sensores e atuadores continuam a aumentar e seus custos continuam a cair, é provável que tais sistemas comecem a aparecer.

Pontos chave:

• Sensores e atuadores são os elementos que definem as redes da Internet das Coisas.
• São necessários muitos componentes eletrônicos para amplificar, condicionar e fazer a interface dos sinais dos transdutores brutos aos processadores de controle.
• É necessário um número surpreendentemente grande de diversos tipos de sensores e atuadores para executar funções simples da IoT, até mesmo para preparar uma xícara de chá.

Artigo escrito originalmente por Charles Byers para Mouser Electronics: Acesse o texto original no link. Traduzido por Equipe Embarcados.