Manipulation des données dans les capteurs intelligents

Les capteurs intelligents ne se limitent plus à la simple transmission d’un signal de mesure électrique. Ils collectent, convertissent et traitent les données et offrent une communication de machine à machine. Cette tendance a brouillé la définition traditionnelle d’un appareil en périphérie et a donné naissance à la notion de périphérie extrême utilisant des capteurs intelligents.

Ces capteurs intelligents gèrent le fardeau du traitement, de l’intelligence, du traitement des données et d’autres fonctionnalités pour augmenter les performances globales et améliorer l’efficacité énergétique. De plus, la puissance de calcul locale des capteurs intelligents rend possible la maintenance prédictive, une productivité améliorée et une fabrication flexible et réactive.

Architecture des capteurs intelligents

Il existe trois aspects importants de la conception des capteurs intelligents : l’acquisition des données, le traitement des données et la communication des données. Au minimum, un capteur intelligent comprend un élément de détection, un microprocesseur et une technologie de communication. Il intègre également des éléments logiciels qui assurent la conversion des données, le traitement numérique et la communication vers des appareils externes et le cloud. Un capteur intelligent peut prendre en charge diverses technologies de détection dans des cas plus avancés, en gérant et en fournissant plusieurs valeurs de mesure.

La figure 1 fournit un exemple générique de l’architecture d’un capteur intelligent qui contient les fonctions les plus courantes. La chaîne de signaux dans un nœud de capteur intelligent commence par la fonction de capteur central. Beaucoup d’entre eux produisent des sorties analogiques de bas niveau qui nécessitent un conditionnement du signal de précision pour préserver les informations critiques qu’ils recueillent. Les fonctions de conditionnement du signal comprennent l’excitation du capteur, l’amplification du signal, le filtrage anticrénelage, le filtrage passe-bas et passe-haut, la linéarisation et une caractéristique souvent négligée, mais essentielle, l’isolation.

Figure 1 : Architecture des capteurs intelligents

Plusieurs types de dispositifs peuvent être utilisés comme unités de traitement : microcontrôleurs, SoC et FPGA. Le choix de chacun dépend de la complexité et de la fonctionnalité du capteur intelligent. Les unités de traitement intégrées dans les capteurs intelligents sont beaucoup plus sophistiquées. Elles incorporent des sources d’excitation, des convertisseurs analogiques-numériques (A vers N) et N vers A haute résolution, des E/S discrètes à usage général, des architectures rapides, un support mathématique et des modes à faible puissance. L’intelligence intégrée surveille en permanence les éléments discrets du capteur, valide les données d’ingénierie fournies et vérifie périodiquement l’étalonnage et l’état du capteur. La différence essentielle entre le capteur intelligent et le capteur intégré avec circuit de traitement des données intégré réside dans ses capacités d’intelligence (fonctions d’autodiagnostic, d’auto-identification ou d’auto-adaptation [prise de décision]). L’utilisation d’un système basé sur un processeur à l’intérieur des capteurs peut potentiellement apporter des avantages significatifs par rapport aux conceptions de capteurs simples : meilleure précision, fiabilité, détection des défauts, gestion avancée de l’alimentation, cycle de conception flexible et fonctionnalités supplémentaires, etc.

Les capteurs intelligents peuvent être connectés via une gamme d’interfaces différentes à l’aide de connexions sans contact, optiques/inductives ou « sans fil » via une technologie radio passive ou active. Le choix de l’interface dépend des exigences et des demandes en termes d’alimentation, de portée et de miniaturisation. La fonction de communication/stockage prend en charge la mise en scène des données et la connectivité avec les services cloud IoT (chiffrement/sécurité, stockage et analyse). Enfin, le module de communication gère la communication entre le système de capteurs intelligents et les dispositifs externes (stations locales, distantes ou de surveillance).

Écosystème de capteurs intelligents

Le capteur intelligent est différent de par son rôle dans l’écosystème plus large des informations et des analyses. L’intégration de capteurs intelligents tout au long de la chaîne d’approvisionnement peut réduire les coûts d’exploitation, augmenter l’efficacité des actifs et améliorer la planification de la demande. Des normes de transmission telles que Wi-Fi, Bluetooth, NFC, RFID et autres sont ensuite utilisées pour communiquer ces données à d’autres capteurs, contrôleurs, plates-formes de gestion centralisée ou plates-formes informatiques distribuées pour l’agrégation et l’analyse des données (figure 2).

Figure 2 : Écosystème de capteurs intelligents

Les données des capteurs intelligents sont généralement traitées et stockées dans une base de données externe ou une plate-forme de cloud computing. Habituellement, l’envoi de données directement vers le cloud peut également être problématique dans les grands systèmes contenant une gamme de capteurs de différents fournisseurs. Ceux-ci peuvent utiliser différents protocoles pour transmettre leurs informations. Le moyen le plus rapide d’obtenir des données à partir de capteurs intelligents consiste à utiliser un dispositif de pont, appelé passerelle, dans chaque pièce. Une passerelle reçoit les données des capteurs et les rend utilisables. Les données sont transmises sans fil des capteurs intelligents à la passerelle. La passerelle convertit ensuite les données des capteurs intelligents et les envoie sans fil via Wi-Fi et LTE ou un câble Ethernet filaire vers une plate-forme locale ou basée sur le cloud choisie.

Au lieu de traiter et de stocker des données sur le cloud, les utilisateurs peuvent créer un tableau de bord localement à l’aide d’une application. Cela permet de construire un tableau de bord simple pour afficher les données reçues par la passerelle sans avoir à s’inscrire sur l’une des plates-formes cloud.

Un facteur clé dans la réalisation du plein potentiel de la technologie des capteurs intelligents est la façon dont elle peut être liée au support technique à distance. Les capacités de communication numérique permettent aux spécialistes des applications et des produits d’accéder aux fichiers de paramètres des capteurs. Une configuration de capteur spécifique peut être chargée et téléchargée via le protocole de communication ou un outil de communication de capteur externe. Les techniciens peuvent modifier à distance les paramètres du capteur en fonction des nouvelles demandes et exigences de l’application en évaluant un fichier de paramètres du capteur téléchargé depuis le site de l’application, l’usine ou le laboratoire. Cela permet de simuler et d’évaluer à distance le comportement et les diagnostics des capteurs par des experts techniques, ce qui peut être une aide précieuse lors de la configuration ou des ajustements des capteurs dans la phase de conception.

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