حسگرهای هوشمند
حسگرهای هوشمند - ساختار،دسته بندی ، تعاریف و وظایف
Intelligent Sensors-Structure, Classification, Definitions and Functions
محسن جزمی- شرکت تابان فرتاک
فروردین 1399
هرگونه استفاده از این مقاله ، بصورت کامل یا بخشی ازآن و به هرشکل بایستی با ذکر منبع و نویسنده آن باشد
مقدمه :
مطابق تعریف پذیرفته شده در واژه نامه بین المللی اندازه شناسی (VIM) ، حسگر عنصری از يك سيستم اندازه گيري است كه بطور مستقيم تحت تأثير پدیده ، جسم ، یا ماده ای که حامل کمیت تحت اندازه گیری است قرار می گیرد . با ظهور فن آوری سیستم حسگر میکرو- الکترو مکانیکی[1] (MEMS) در اواخر دهه 70 میلادی و تحولی که در ابعاد و اندازه ، هزینه ساخت و امکان تولید انبوه حسگرها و متعاقب آن پیشرفت هایی که در پردازش دیجیتالی و میکرو پردازشگرها، تجهیزات بی سیم ، شبکه و منابع تغذیه باظرفیت بالا و حجم کم بوجود آمد ، زمینه ظهور "حسگر هوشمند" و متعاقب آن تجهیزات هوشمند مهیا شد. شکل 1 بصورت نوعی یک گوشی هوشمند نوعی را نشان می دهد که در آن از حسگرهای مختلف میکرو- لکترومکانیک برای ساخت استفاده شده است. فن آوری موجود ساخت حسگرهای میکرو- الکترو مکانیکی و سرمایه گذاریهای سنگین انجام شده برای تحقیق و توسعه دراین حوزه ،بنظر می رسد بسیاری از نیازمندی های جدید مانند خودگردانی حسگرها را پاسخگو باشد. درحال حاضر محصولات و دستگاههای MEMS به تعداد زیاد تولید می شوند و تجاری سازی شده اند و مزیت های زیر را دارند:
- قیمت پایین
- جرم پایین
- توان مصرفی پایین
- اتصال ساده آنها به سیستم های کامپیوتری (Plug & Play)
- خروجی دیجیتال
- قابلیت اطمینان بالا
- حساسیت، انتخاب پذیری و درستی بالا
شکل 1- انواع حسگرهای میکرو-الکترومکانیک (MEMS) مورد استفاده در گوشی هوشمند (نوعی)
در سیستم های معمول در دهه 80 میلادی، حسگرها بصورت انفرادی داده های خود را به یک سیستم بزرگ و پیچیده درقالب پردازشگر مرکزی ارسال میکردند که ایرادهای زیادی منجمله ایجاد بار زیاد برای پردازشگر ، نویز پذیری راحت سیگنال های حسگر معمولی و سخت افزار بزرگ و حجیم شامل مبدل آنالوگ به دیجیتال داشتند. برای حل این مشکلات ایده ساخت حسگرهای هوشمند با حداقل قابلیت تبدیل و پردازش سیگنال مطرح شد.
"حسگر هوشمند"، بصورت حسگری تعریف می شود که وظایف عملکردی، فراتر از موارد لازم برای ایجاد آنچه نمایانگر صحیح از کمیت تحت اندازه گیری (اندازه ده) یا تحت کنترل است دارد و در داخل خود حسگر، قابلیت پردازش پیشرفته تعبیه شده است (شکل 2) .
شکل 2- مفهوم حسگر هوشمند
عبارت "حسگر هوشمند" اغلب فقط نمایانگر اینست که حسگر با یک پردازشگر دیجیتالی یکپارچه شده است و چیزی درمورد توانایی های ادراکی که درون حسگر برنامه ریزی می شود بیان نمی کند و درمورد آنچه به آن" حسگر هوشمند" اطلاق می شود اختلاف نظر وجود دارد. طبقه بندی یک حسگر به عنوان "هوشمند" حاکی از این است که وظایف عملکردی بیشتری نسبت به حسگری معمولی دارد که فقط دارای یک خروجی بعنوان خروجی اندازه گیری است . حسگرها از سطوح متفاوتی از خبرگی و پیچیدگی استفاده می کنند ، تا به عنوان حسگر هوشمند[2]، حسگر باهوش[3] یا حسگر آگاه[4] تلقی شوند، گستره ای که از بکارگیری یک تقویت کننده عملیاتی[5] برای سیگنال های خروجی حسگر شروع و تا فنون پیشرفته مدل سازی داده ها برای پایش وضعیت را دربر می گیرد. همچنین بکارگیری هوش مصنوعی در طراحی حسگرهای هوشمند، امکان صحه گذاری داده های حسگر، بازیابی داده های مفقود شده و تصحیح داده های اشتباه، تخشیص عیب حسگر، عملگری هوشمند و استنباط اطلاعات از داده های حسگر را مهیا نموده است.
حسگرهای هوشمند می توانند قابلیت ارتباط بی سیم در درون خود نیز داشته باشند . برای این قبیل حسگرها ،ویژگی های مورد نیاز برای بهبود قابلیت اطمینان آنها در اندازه گیری درقالب استانداردهای بین المللی و پروتکل های ارتباطی تعریف شده است. بطور معمول ، این ویژگی عملکردی در کاربردهایی که در محیط شبکه کار می کنند ، یکپارچگی بخش مبدل و مدارات مربوطه با بخش حسگر را ساده می کند. بکار گیری شبکه های بی سیم سطح جدیدی از پیچیدگی و خبرگی در استخراج ویژگی های مورد نظر ایجاد می کنند و امکان پایش و نظارت، بهتر از آنچه پیش تر با حسگرهای معمولی یا حسگرهای هوشمند بدون قابلیت بی سیم مقدور بود را فراهم می کند. علاوه براین، استفاده از هوشمندی توزیع شده ، همراه با شکلی از پردازش داده ها که بصورت محلی انجام می شود ،اجازه نمونه برداری سریعتر و کاهش نیاز به ذخیره سازی داده هارا در پی دارد.
منافع و مزایای کاربردی حسگرهای هوشمند
منافع مستقیم زیادی دراستفاده از حسگرهای هوشمند وجود دارد. آنها قادرند با فنون مؤثر در جمع آوری داده ها به شیوه تکلیفی خاص کار کنند. حسگرهای هوشمند، توسعه و کاربرد شبکه های حسگر با قابلیت انعطاف بیشتر را امکان پذیر می سازند تا بصورت کارآمدتری از منابع محدودی که هر حسگر تکی دراختیار دارد، خود بهره برداری کند یا به شبکه اختصاص بدهد. در شبکه حسگر، با تمرکز منابع موجود با توجه به وضعیت محیط اطراف و اقدامات آنی که لازمست ، عملکرد کارآمد ترحسگر تضمین می شود.
یکی از مهمترین مزیت های حسگرهای هوشمند اینست که روش های پیشرفته پردازش را به سطح و محل نصب حسگر و اندازه گیری منتقل می کند وامکان ایجاد سیستم توزیع شده را مهیا می نماید. بنابراین ظرفیت پردازشگر حسگرها ی هوشمند در عملکرد آنها تاثیر بسزایی دارد. اکنون پردازشگرهای دیجیتالی سیگنال[6] (DSP) در مقایسه با پردازشگرهای میکرو معمولی با سرعت بیشتری کار می کنند و ابزارهای توسعه ای آنها به طراحان این امکان را می دهد که درکاربردهای که نیاز به پردازش ریاضی و محاسباتی سریعتری هست از آنها استفاده کنند.
مزیت دیگر حسگرهای هوشمند ، فرصتی است که ایجاد می کنند تا بایکدیگر در مقیاس های کوچک یا بزرگ کار کنند و فقط نتایج را درصورت نیاز باهم تبادل نمایند. دراین ساختار، تکالیف تحلیلی مختلف که بعهده سیستم آرایه ای حسگرهاست ، می تواند بین پردازشگرهای مختلف توزیع شود و با اینکار به سیستم اجازه انجام همزمان تحلیل های مختلف را داد. همچنین روش های پیشرفته پردازشی که تاقبل ازاین فقط توسط محققان استفاده میشد، میتواند بصورت توکار و جاسازی شده در سیستم های توزیع شده بکار گرفته شود.
همچنین حسگرهای هوشمند منجر به بهبود ویژگی های اندازه شناختی و عملکردی حسگرها می شوند که مهمترین آنها عبارتند از:
- درستی: بطور سنتی ، عملکرد اندازه شناختی حسگرها علت اصلی استفاده از آنهاست.از میان مشخصه های عملکردی اندازه شناختی ، درستی مهمترین آنهاست. لذا در طراحی حسگرها سعی میشود، درستی نسبی سیگنال الکتریکی تولید شده توسط حسگر که غالبا سیگنال خروجی آنها ست، با نیازها و الزامات کاربرد مورد نظر تطابق داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که اگر وظیفه عملکردی حسگر در گذشته کفایت نیازهای کاربردی را می کرد ، هم اکنون و همچنین برای نیازهای آینده جوابگو می باشد.یک حسگر هوشمند ، حاوی ویژگی هایی است که می تواند خطاهای سیستماتیک (روشمند) ، رانش[7] سیستم یعنی تغییر مشخصات فنی بازمان و خطاهای تصادفی ایجاد شده به دلیل پارامترهای سیستم یا مشخصات حسگر را جبران کند و درستی با تعریف " نزدیکی توافق بین مقدار کمیت اندازه گیری شده و مقدار کمیت واقعی از یک اندازه ده " را بهبود ببخشد.
- قابلیت اطمینان[8]:علاوه بر فنونی که قبلا در طراحی شبکه حسگرها برای افزایش قابلیت اطمینان (مانند افزونگی[9]) لحاظ شده اند، ترکیب و تلفیق فنون صحه گذاری حسگر و داده ها در حسگرهای هوشمند برای شناسایی داده های معیوب و اشتباه ، آزمون خودکار اتصالات مسیر شبکه و عملکرد خود حسگر و همچنین کالیبراسیون و اصلاح رانش حسگر، می تواندسطح دیگری از قابلیت اطمینان سیستم را فراهم کند.
- سازگاری و قابلیت انطباق[10] :پارامترهای پردازشی یک سیستم حسگر هوشمند بایستی بطور خودکار تعیین و با سطح بالاتر در معماری سیستم اطلاعاتی سازگار شود. این امکان علاوه بر بهینه سازی عملیات اندازه گیری و پردازش، حسگر را قادر به پاسخگویی مناسب به تغییرات شرایط محیطی می نماید.
- کاهش پهنای باند:در مواردی که نیاز باشد تعداد حسگرها در یک سیستم گسترش یابد یا تعداد حسگرهای موجود نسبتا زیاد باشد ، ممکن است باعث بروز تنگنای شدید برای پردازش داده ها شود. با پردازش سیگنالها درمحل حسگر ، پهنای باند ارتباطی مورد نیاز برای شبکه حسگرها می تواند کاهش پیدا کند، زیرا بخش زیادی از پردازش ها در محل هر حسگر انجام میشود .
- پردازش پیشرفته داده ها: این ویژگی مزیت اصلی استفاده از حسگرهای هوشمند بر حسگرهای معمولی است و این امکان را می دهد که "هوشمندی" را بتوان به عنوان استراتژی حسگری پیاده سازی کرد. روش های پیشرفته پردازش ،که درحال حاضر فقط توسط محققان به کار می روند ، می توانند در سیستم های شبکه حسگر توزیع شده بصورت توکار[11] جاسازی شوند . روش هایی مانند همجوشی داده ها[12] که اطلاعات را از داده های حاصل از منابع مختلف (مانند داده های حاصل از حسگرهای مختلف) استخراج و تبدیل به اطلاعات نامتناقض ، درست و مفید می کند و با پشتیبانی دانش موجود امکان برآوردهای مرتبط با مقادیر کمی یا ویژگیهای تحت اندازه گیری و کنترل ، دسته بندی ها یا تصمیم گیری ها را فراهم میکند.
ساختار و وظایف کلیدی حسگرهای هوشمند
مانند هر حسگری ، یک حسگر هوشمند در درجه اول با هدف ارائه برآوردی از مقدار متغیرهای سیستم تحت اندازه گیری و پایش ( بعبارتی "مقدار فرآیند"[13]) در حلقه های کنترلی ابزاردقیقی باز یا بسته و برای تصمیم گیری در کنترل فرآیندهای مرتبط ، نگهداری یا مدیریت سیستم مورد استفاده قرار گیرد. با این حال ، حسگرهای هوشمند برخلاف حسگرهای معمولی ، اجزایی نیستند که فقط به بقیه بخشهای کاربردی سیستم متصل شده باشند ، بلکه خود وظایف پردازشی پیشرفته و مستقلی از قبیل صحه گذاری داده های خود[14] ، کالیبراسیون مجدد خود[15] ، تشخیص عیب و فیلتر کردن داده های حس شده و استخراج ویژگی های مورد نیاز از محیط تحت اندازه گیری و پایش را بعهده دارند.
درحال حاضر ، ویژگی های مورد علاقه از جنبه علمی ، رشد قابلیت های پردازشی حسگرها مانند تخمین و برآورد مقادیر پارامترها و کمیت های تحت اندازه گیری و پایش ، توصیف مشخصات حسگر، صحه گذاری داده ها و قابلیت تحمل عیوب است. در مقابل ، با توجه به کارکردهای اضافی که دارا هستند ، با ارائه خدمات در سطح نظارتی سیستم ، کاملاً در معماری سیستم های کنترل پیچیده توزیع شده مشارکت می کنند.
تحقیقات آینده احتمالاً بر پردازش داده های پیشرفته بصورت مستقیم توسط خود حسگر متمرکز است. با این مهم ، پردازش داده های توزیع شده بصورت واقعی انجام می گیرد و پردازش متمرکز داده ها که تاکنون متداول بوده است را تغییر می دهد و امکانات و جهت های جدیداز دیدگاه فن آوری باز می کند . این تغییر از پردازش متمرکز داده های متداول و انتقال وظیفه پایش و نظارت مستقیم به منبع آن یعنی حسگرها ، چالش اصلی برای نسل های بعدی فن آوری WINS (حسگرهای شبکه هوشمند بی سیم[16]) خواهد بود.
بطور کلی وظایف اصلی و ساختاری یک حسگر هوشمند را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
الف- پیش پردازش: حسگری و حالت دهی سیگنال
جزء حسگر یا مبدل که جزئی فیزیکی است، به تغییرات محیط اطراف خود پاسخ می دهد. در مرحله پیش پردازش ، حسگر یا مبدل ، کمیت ورودی محیط (بطور مثال دما یا فشار ) را به کمیتی مهندسی که پارامترخام محیطی را نمایندگی میکند تبدیل می کند (بطور مثال به جریان یا ولتاژ الکتریکی که بطور معمول 4تا 20 میلی آمپر یا 1 تا 5 ولت هستند).
مرحله پیش پردازش شامل نرم افزار برای کالیبراسیون نیز می باشد که دربرگیرنده عملیاتی مانند خطی سازی ،نرمال سازی و حالت دهی به سیگنال برای تصحیح خطا ها بطور مثال خطاهای ناشی از اثرات دمایی یا پیر شدگی و رانش حسگر و مدارات الکترونیک آن است.
ب-پردازش اطلاعات: پالایش
برای پردازش اطلاعات ، از فیلتر کردن و دستکاری داده ها[17] برای تخمین ، استخراج ویژگی ها و طبقه بندی استفاده می شود تا به کاهش حجم داده ها ، آشکارسازی رویدادهای مورد نظر ، تفسیر و بهبود آنها دست پیدا کرد . در این مرحله از فنون یادگیری مانند منطق فازی یا شبکه های عصبی میتوان استفاده کرد تا ویژگی هایی با اطمینان بالاتر از آنچه از داده های ضعیف ناشی میشود ایجاد شود. در برخی ازکاربردها نیز، نیاز به تخمین کیفی مشخصات می باشد، مانند عیب یابی یا کنترل هایی که براساس قوانین اگر- آنگاه براي تسهيل در تصميم گيري در سيستم هاي خبره استفاده می شوند و درآنها متغیرها با مقادیر کیفی مانند بزرگی، کوچکی، افزایشی ، کاهشی توصیف می شوند.
در مرحله پردازش اطلاعات ، هدف ارائه اطلاعات درست ولی بصورت حداقلی به سلسله مراتب اطلاعاتی در سطوح بالاتر است.این یکی ازویژگی های مهم معماری شبکه های حسگر و سیستم های توزیع شده است و اجازه می دهد درحالیکه ترافیک شبکه کاهش پیدا می کند و نیاز به پهنای باند بزرگ کمتر می شود ، داده های محلی بیشتری به دست آمده و تفسیر شوند .
ج- پایش وضعیت و تشخیص عیب : موقعیت و ارزیابی
هر سیستم پایش وضعیتی، ابتدا تغییر از حالت عادی را تشخیص می دهد و سپس تلاش می کند تا مکان ، نوع و شدت عیب را تعیین کند. در حالت ایده آل می تواند تخمینی از عمر باقیمانده را نیز ارائه نماید. تعیین بلافاصله محل بروز عیب ، به کمک حسگرهای توزیع شده ممکن می شود. پردازش محلی، مانند استفاده از الگوریتم تبدیل سریع فوریه (FFT) برای استخراج ویزگی یک سیگنال ارتعاشی ، می تواند برای تشخیص نوع عیب مورد استفاده قرار گیرد. همچنین دراین مرحله ، امکان ذخیره سازی جدولی مرجع که دربرگیرنده داده های نوعی یا سوابق قبلی است وجوددارد و داده های حاصل از پردازش با آنها می توانند مقایسه شوند و شدت عیب را معین نمایند .
د- مدل سازی ، پیکره بندی و عدم قطعیت حسگر : پالایش فرآیند
تفسیر سیگنال خروجی حسگر بستگی به مدل های شرح داده شده درمراحل پیش پردازش و پردازش موضوع ( مراحل 2-1 و 2-2 ) دارد. سیگنال های خروجی بطور معمول ساده ، دارای روابط خطی و با زمان، ثابت فرض می شوند.
داده های غنی حاصل از نمونه برداری سریع اجازه می دهد ، رویکرد بهتری برای پالایش و بهسازی مدل ها پیش گرفت. مدلهای غیرخطی مانند Kernel Representative و سایر مدل های داده ها- گرا که دریادگیری ماشین و هوش مصنوعی برای ارائه رابطه بین ورودی و خروجی سیستم شامل حسگر بکار می روند ، امکان بازآفرینی و بازآموزی خودکار حسگررا نیز دارند ، که می توانند برای جبران اثرات پیری حسگر یا رانش مشخصات آن درطول زمان استفاده شوند.
ارزیابی و برآورد عدم قطعیت اندازه گیری بعمل آمده توسط حسگر می تواند در سطح بالاتر سلسله مراتب اطلاعاتی با استفاده از الگوریتهای همجوشی داده ها که برای تلفیق و یکپارچه سازی داده های حاصل از منابع مختلف برای ایجاد اطلاعات مفید استفاده میشود انجام گیرد. همچنین پس از مقایسه رفتار حسگر با سایر حسگرها ، امکان بارگیری[18] مدل های جدید نیز وجود دارد. ممکن است درخصوص تغییرات داده ها ، جبران سازی نیز بعمل آورد.
ه- ارتباطات
سیستم های هوشمند برای گزارش دهی شرایط عادی و بروز خطا و همچنین برای اینکه برنامه ریزی شوند، نیاز به تماس و ارتباط با یک سیستم گسترده تر دارند. حسگرهای معمولی یا سنتی ، غالباً محدودیت هایی بدلیل نقص در استانداردسازی یا استاندارد نبودن دارند که برقراری چنین ارتباطی برای آنها منجر به شکل گیری سیستم های پیچیده ، با هزینه بالا و انعطاف پذیری کم می شوند. واسط های (الکترونیکی) مبدل یا حسگر استاندارد شده و پروتکل های ارتباطی ، که درسیستمهای بی سیم پیچیده تر هستند، منجر به ایجاد حسگرهای خودگردان ، توزیع شده و با امکان پیکره بندی مجدد می شوند که به صورت منطقی ومنسجم با هم ارتباط برقرار کرده و متصل می شوند تا ارتباطات کارآمد و با قابلیت تحمل خطا رابرقرار کنند.
و- توانایی سیستم در تحمل عیب
پایش ونظارت بر سیستم حسگر به خودی خود نیاز به یک معماری خاص و مستحکم دارد تا بتواند تغییرات واقعی پارامتر یا کمیت تحت پایش و اندازه گیری را از عیوب پیش آمده برای خودحسگر متمایز کند. در صورت عدم شناسایی این عیوب ، خطاهای ناشی از رفتارآنها که با مدل های مورد انتظار مطابقت ندارد به سیستم پایش و نظارتی ورود پیدا میکنند و ممکن است فرامین کنترلی اشتباه صادر یا منجر به تصمیم گیری اشتباه توسط مدیریت سیستم در سطوح بالاتر معماری سیستم شوند.
موضوع تحمل عیب را می توان در سطوح مختلف مدنظر قرارداد. استراتژی های بلادرنگ[19] به سیستم اجازه می دهند تا کار خود را با عیوب موجود ادامه دهد. برای اجتناب از برآوردهای اشتباه ، می توان ازروشهای جبران سازی عیب استفاده کرد یا سیستم حسگر را چنان پیکره بندی مجدد نمود تا به صورتی دیگر برآورد را به انجام برساند ، بطورمثال با استفاده از حسگرهای دیگر در شبکه سیستم حسگرها.
همچنین امکان ارزیابی قابلیت تحمل عیب، به این معنی که سیستم توانایی پذیرش عیوب درحالیکه هنوز قادر به ادامه کار باشد، وجود دارد . البته این بستگی به طبیعت عیب دارد ، بطور مثال درمورد منابع بحرانی مانند منبع تغذیه ، تنها بصورت افزونگی سخت افزاری یعنی پیش بینی منبع تغذیه اضافی می توان تحمل عیب را مقدور کرد.
ز-صحه گذاری داده ها
ورود داده های اشتباه به سیستم می تواند در مقیاس وسیع تری نسبت به خرابی یک حسگر تکی ، مشکلات جدی ایجاد کند. اگرداده ها قابل قبول اما اشتباه باشد ، می تواند منجر به تصمیم گیری غلط برای سیستم یا اجزای آن شود، مانند اجازه پرواز به هواپیمایی با یک عیب در مراحل ابتدایی که پتانسیل خرابی رابدنبال دارد.
افزودن صحه گذاری در داخل حسگرهای هوشمند باعث افزایش قابلیت اطمینان سیستم می شود. تأثیرشدید خطاها را می توان با پیش بینی افزونگی ، یا حداقل یک شبکه متراکم حسگرها که در آن سیگنال خروجی حسگرهای مجاور قابلیت مقایسه با هم رادارند تا درصورت خرابی یکی ازآنها ، درمقایسه با حسگر مجاور بتوان عیب حسگر اولی را تشخیص داد ،کاهش داد.
در افزونگی سخت افزاری از حسگرهای اضافی استفاده می شود و داده هایی را که به طور مشابه در اکثر حسگرها ظاهر می شود ، مقایسه می کند. در افزونگی تحلیلی از یک مدل ریاضی برای مقایسه رابطه بین اندازه گیری های حسگر ، محاسبه تفاوت بین مقادیر برآوردی و واقعی استفاده می کند. این رویکرد درصورت افزایش پیچیدگی میتواند گران دربیاید . صحه گذاری می تواند برآورد بعمل آمده یا حداقل آنچه ارزیابی سطح اطمینان مرتبط با آن است را تایید یا رد کند.
رویکرد دیگر که بصورتی صحه گذاری جزئی داده هاست ، صحه گذاری فن آورانه ای است که منابع سخت افزاری شامل منبع تغذیه ، مجموع مقابله ای[20] داده های باینری موجود در حافظه پردازشگر و اتصال به شبکه را را بررسی می کند. در این رویکرد ، برآورد بعمل آمده روی داده های حاصل از اندازه گیری و پایش حسگر بررسی نمی شود بلکه فقط شرایط عملیاتی را شامل می شود.
دسته بندی حسگرهای هوشمند
مرز بین حسگرها و دستگاههای اندازه گیری و کنترل که تاکنون تعریف شده و مشخص بود، با ورود فن آوری حسگرهای هوشمند ،دیگر به وضوح سابق نیست و آنها باهم ادغام شده اند. پردازش هایی که قبلا در دستگاههای الکترونیکی با اندازه بعضا بزرگتر از حسگر انجام میگرفت، هم اکنون در داخل حسگر جاسازی شده است. لذا حسگر درحال حاضر خود سیستمی است که اطلاعات و نه فقط داده ها رادراختیار یک سیستم میزبان دیگر قرار می دهد. بطور معمول یک حسگر هوشمند کامل، دربرگیرنده موارد زیر است:
- جزء حس کننده اصلی
- تقویت
- تحریک
- کنترل بازخوردی فعال
- پالایش وفیلتر کردن آنالوگ سیگنال ها
- تبدیل داده هاپردازش محلی اطلاعات دیجیتالی
- تجمیع منظم و دسته بندی اطلاعات بیرونی مثل همجوشی داده های مختلف ،شبکه های عصبی یا تکنیک های خود ارزیابی
کاربرد گسترده حسگرها درتمامی زمینه های صنعتی ، تجاری، نظامی، محیط زیست، غذایی ، دارویی ، پزشکی ، حمل ونقل، فضا ،در حال حاضر نیازهای بیشتر از اینها را ایجاد کرده است ، نیازها و انتظاراتی مانند ماموریت های بلند مدت، قابلیت اطمینان و آماده بکاری ، فعالیت در محیط های خشن و ساختارنیافته، عملیات بلادرنگ ، انعطاف پذیری در استفاده ، پردازش کارآمد و هوشمندانه داده ها و استخراج اطلاعات توسط حسگر قبل از آنکه این داده ها و اطلاعات در اختیار سیستم ها و تجهیزات بیرون از آنها قرارداده شود. این نیازها منجر به این شده است که تحقیقات به سمت توسعه اجزای حس کننده با توانمندی های مرتبط باخودگردانی وظایف حسگرها بر اساس معماری های سیستم های توزیع شده نا متمرکز تمایل پیدا کنند. چنین سیستم هایی نیاز به گستره وسیعی از ویژگی های کیفی را دارند، مانند یکپارچگی[21] سیستم ها، تعامل پذیری[22]، مقیاس سازی[23]، قابلیت انتقال و مدولار بودن ، استحکام[24] و پایداری ذاتی، توانایی تحمل عیب و مقاومت در مقابل مخاطرات.
همچنین این نیازها ، واژه ها و پارامترهای جدیدی به دنیای حسگر های هوشمند و کاربردهای آنها وارد کرده است، واژه هایی مانند حسگر های باهوش ، هوشمند و آگاه (شکل 3) . استفاده نابجا و یا بجای یکدیگر واژه های "باهوش" و "هوشمند" (که بترتیب ترجمه “smart” و “intelligent” هستند ) مسئله دیگری است که معادل فارسی هردو آنها "هوشمند" ترجمه شده است و مسئله را پیچیده تر می کند. بنابراین در این متن از واژه "حسگر باهوش" برای Smart Sensor و از واژه "حسگر هوشمند" برای Intelligent Sensor که بعد از آنها پابه عرصه فن آوری گذاشتند استفاده خواهد شد تا تفکیکی بین این دو واژه بعمل آید. همچنین درادامه این دونوع حسگر و نوع جدیدی از حسگر با عنوان "حسگر آگاه" (cogent Sensor) بصورت شفاف تعریف می شوند تا این سردر گمی کمتر شود.
شکل3- دسته بندی حسگرهای هوشمند
عبارت "حسگر هوشمند" اغلب فقط نمایانگر اینست که حسگر با یک پردازشگر دیجیتالی یکپارچه شده است و چیزی درمورد توانایی های ادراکی که درون حسگر برنامه ریزی می شود بیان نمی کند.
توافقی که درمورد تعریف حسگر/ مبدل های هوشمند وجود دارد ، اینست که وظایف آنها فراتر از موارد مشترک زیر است که حسگرها / مبدل های معمولی دارند :حسگری[25] مبدل[26] ایفای نقش عملگر[27]
در تعاریف مختلف ارائه شده در مورد حسگرهای هوشمند به سه زمینه مشترک برای آنها یعنی پردازش و کنترل ، ارتباطات و حافظه اشاره می شود. لذا می توان وظایف محوری و اصلی یک حسگر هوشمند را بقرار زیر بیان کرد:حسگری، مبدل و عملگری ( در موردترکیب حسگر و عملگر)حالت دهنده سیگنال تبدیل کننده سیگنالپردازش و کنترلارتباطاتحافظه ، که فضایی برای دوموضوع برنامه داخل حسگر و داده های حاصل از آن که برای پشتیبانی از وظایف کلی حسگر یا مبدل هوشمند نیاز است
علاوه بر وظایف مشترک یک حسگر یا مبدل معمولی و وظایف محوری یک حسگر یا مبدل هوشمند، سومین مفهوم که وظایف افزوده نام دارد و بایستی درمورد حسگرها یا مبدل های هوشمند درنظر داشت تا بتوان از وظایف محوری آن پشتیبانی کرد و بصورتی ارتقای کیفیت وظایف حسگر یا مبدل و میزان مفید بودن آن در کاربردهای مختلف را نشان داد ، عبارتند از:خود شناسایی[28] خود آزمونی / خود عیب یابی[29] کالیبراسیون خودکارجبران سازی خودکار
در جدول 1 ، خلاصه وظایف مشترک، محوری و افزوده حسگرهای معمولی و حسگرهای هوشمند ارائه شده است:
جدول 1- وظایف مفهومی حسگرها
با استفاده از سه مفهوم بالا ، می توان تعریفی کلی درمورد عبارت کلی "حسگرهای هوشمند" ارائه داد:
"حسگرها یا مبدل های هوشمند ، وسایلی هستند که می توانند تمامی وظایف محوری یک حسگر یا مبدل هوشمند و برخی وظایف افزوده که با آنها ترکیب می شوند را اجرا کنند. "
در شکل 4 نیز ساختار مفهومی و وظایف حسگرهای هوشمند ،بصورت نمودار بلوکی نمایش داده شده است
شکل 4- معماری کلی حسگر / عملگر هوشمند
دسته اول :حسگرهای باهوش
در تعریفی کلی ، دستگاههای حسگر باهوش آنهایی هستند که حسگر/ عملگر با مدارات الکترونیکی یکپارچه می شوند. براساس استانداردهای مرتبط با واسط مبدل باهوش[30] IEEE 1451 ، باهوشی به معنی اینست که ذخیره سازی و پردازش داده ها داخل وسیله حسگر انجام می شودو ازطریق واسط الکترونیکی با حسگر دیجیتالی مرتبط و یکپارچه می شود. استفاده ازتعبیر دیگری نیز با عنوان حسگر یکپارچه در این خصوص متداول است و طبق آن یک میکروحسگر با مدارات پردازشگر سیگنال در یک بسته تجمیع و یکپارچه می شود.
نکته: IEEE 1451 مجموعه ای از استانداردهای مرتبط با واسط مبدل باهوش است که توسط کمیته فنی فن آوری حسگرها در انجمن ابزاردقیق و اندازه گیری مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) تدوین شده است، دراین استانداردها مجموعه ای از واسط های باز ، مشترک و ارتباطات وابسته به شبکه ابری اتصال مبدل ها( شامل حسگر و عملگر) به ریز پردازنده ها ، سیستم های ابزاردقیق و شبکه های کنترل میدانی ارائه شده است . یکی از عناصر اصلی این استانداردها " برگه های اطلاعات الکترونیکی مبدل[31] (TEDS) " است که برای هر مبدل تعریف شده است.
در مدارات الکترونیکی و حسگرهای باهوش ،یکپارچگی به دو صورت انجام میشود :
- یکپارچه مونولیتیک[32] و
- یکپارچه هیبریدی یا پیوندی
حسگر یکپارچه مونولیتیک دارای مدار پردازشگری است که روی همان تراشه که به آن حسگر اطلاق می شود، سوار می گردد، درحالیکه نوع هیبریدی آن دارای مدار پردازشگر سیگنالی است که روی همان زیر لایه و بستری پیوند می خورد که تراشه حسگر به آن اطلاق می شود. معمولا حسگر نوع هیبریدی بدلیل اینکه فرآیندهای ساخت میکروحسگر با ساخت مدارات الکترونیک تطابق ندارند ، از باهوشی کمتری برخوردار است.
هنوز هم برای بسیاری تعریف و برداشت روشنی از حسگر باهوش وجود ندارد ، برای برخی به حسگری اطلاق می شود که قابلیت ارتباطات دیجیتالی دارد، درحالیکه برای برخی دیگر حسگری است که بصورت یکپارچه شده توان محاسباتی بالا برای اجرای وظایفی ازقبیل خود-کالیبراسیون، تصحیح غیر خطی بودن، حذف انحراف از صفر، تشخیص عیب، ارتباطات، و حتی توانایی تصمیم گیری دارد. اضافه شدن این قبیل توانمندی ها و لحاظ کردن آنها در طراحی حسگر ، به نوع حسگر، فن آوری ساخت و به زمینه های کاربردی آن حسگر بستگی دارد و بصورتی "کاربرد محور" می شود .
واژه "حسگر باهوش" اولین بار در 1980 میلادی ابداع شد و جولیان گاردنر استاد دانشگاه وارویک انگلستان آن را به دودسته تقسیم کرد:
- دسته اول : حسگر + پیش پردازشگر
- دسته دوم: حسگر + پیش پردازشگر + پردازشگر ( که درجه بالاتری از یکپارچگی به معنی این که دارای میکروکنترلر یا ریزپردازنده است)
علاوه براین گاردنر با ارائه دورنمایی ترکیبی از ویژگی های فن آورانه و کارکردی(یا وظیفه ای) بین حسگرهای " باهوش" و" هوشمند" بصورت زیر تفاوت قائل شد :
وسایل حس کننده ای که تمام یا بخشی از وظایف پردازش بصورت یکپارچه شده برروی همان زیرلایه سیلیکونی انجام شود را "حسگرهای باهوش" می نامند . برچسب "هوشمند" نیز برای وسایلی کنار گذاشته می شود که علاوه بر این ، وظایف عملکردی دیگری مانند خود- عیب یابی[33]، خود- تعمیر[34] ، خود- ارتقایی[35] و منطق فازی را نیز به انجام می رسانند.
از برخی منظر های دیگر ، "باهوشی" معادل با "استفاده آسان" تلقی می شود. این برداشت با ارائه مجموعه استانداردهای IEEE درخصوص حسگرهای باهوش اشاعه پیدا کرد . دلیل آن هم تمرکز این استانداردها روی معماری ها و پروتکل های سطح بالاتر سیستم های اطلاعاتی مانند فیلدباس و PCI است که مزیت های اثبات شده ای دارند. ویژگی هایی مانند کاهش سیم کشی ها، تنظیمات سطح پایین گذرگاه[36] در فرآیندکسب داده ها ، تعویض پذیری وسایل ، مالتی پلکس ومخابره ترکیبی داده ها ،نگهداری و توسعه آسان، ساده سازی تقسیم سیستم های پیچیده با گذرگاه ارتباطی سطح بالا به زیر سیستم هایی که از گذرگاه ارتباطی سطح پایین استفاده می کنند، قابلیت جوابگویی آسان به کاربردهای مختلف جدید ، قابل یت اتصال راحت مانند Plug & Play .
از منظر ابزاردقیق فرآیندها ، مشخصات و مزیت های دیگری علاوه بر موارد فوق برای حسگرهای باهوش قائل می شوند که بیشتر به مزیت های فیلد باس بر می گردد:
- افزایش مقدار اطلاعات و بهبود کیفیت آنها:اطلاعات بیشتری ازطریق یک لینک ارتباطی می توان بدست آورد و بخاطراینکه اطلاعات برای مواردی مانند بروز اشتباه یا حذف آنها در طی انتقال وپردازش بررسی می شوند ، کیفیت آنها بالاتر میرود،
- بهبود توانایی نگهداری (وتعمیرات):از اتاق کنترل ، دسترسی راحت تری می توان به دستگاههای ابزاردقیقی پیدا کرد و بررسی سیم بندی وسایر بررسی هایی که در شروع بکار شیفت های کاری لازمست انجام شود، براحتی انجام می گیرد،
- کاهش هزینه های نصب : با استفاده از فقط یک کابل می توان سیم بندی تمامی دستگاهای ابزاردقیقی را انجام داد.
از منظر و تفکر سیستمی ، النا گائورا و رابرت نیومن دو تن از اساتید دانشگاه کاونتری انگلستان در کتاب " حسگرهای میکرو- الکترومکانیک باهوش و سیستم های حسگر" منتشره در 2006 میلادی "حسگر باهوش" را بصورت زیر تعریف کردند:
حسگری با توانایی پردازش سیگنال بصورت یکپارچه با خود که میتواند عیوب و کاستی های فیزیکی در سخت افزار ذاتی حسگر را اصلاح یا ارتباط با سایر بخش های سیستم را تسهیل کند. توانایی پردازش سیگنال می تواند آنالوگ یا دیجیتال باشد. "یکپارچگی" دراینجا به این معنی است که حسگر باهوش بصورت یک سیستم طراحی شده بالا به پایین است تا مجموعه الزامات سیستم را که بیشتر به عملکرد اندازه شناختی و کاربردی حسگر معطوف میشود را برآورده نماید .
دسته دوم: حسگرهای هوشمند
با پیشرفت فنون کوچک و فشرده سازی خیلی زیاد مدارات مجتمع[37] ، یکپارچه سازی پردازش های آنالوگ و دیجیتال درون حسگرها میسر گردید. امروزه عبارت "حسگر هوشمند" بسیار بیشتر از "حسگر باهوش" بکار برده میشود . درابتدا "هوشمندی" به معنی استفاده از فن آوری الکترونیک با هدف تقویت و ارتقای وظیفه اندازه گیری خود حسگر در "حسگرهای باهوش" را داشت. واژه "هوشمندی" برای ماکرو حسگرها در زمینه مهندسی ، در 1992 میلادی در دانشگاه فن آوری ماساچوست (MIT) همراه با پیشنهاد هوش مصنوعی و مطابق تعریف قدبمی تر "حسگر هوشمند" که در 1978 میلادی توسط محققان ناسا، برکنریچ و هوسون ارائه شده بود، بصورت زیر تعریف گردید:
حسگری که خودش وظیفه پردازش داده ها ، کالیبراسیون خودکار ، جبران خودکار ، شناسایی و حدف خودکار مقادیر غیر عادی یا مقادیر استثنائی را بعهده دارد. این حسگر، آلگوریتمی را درخود جا می دهد که میتواند خودش را اصلاح یاتغییر دهد و همچنین تا حدی از وظایف مربوط به حافظه را نیز دارا باشد . مشخصات مورد نظر بیشتری که ازآنها انتظار می رود اینست که حسگر بتواند با سایر حسگرها جفت وجور و به آنها متصل شود، خودش را با تغییرات محیطی وفق بدهد و توانایی تمایز و تفکیک[38] را بعنوان یک وظیفه داشته باشد.
گاردنر نویسنده کتاب "میکروحسگرها، حسگرهای میکرو- الکترو مکانیک و وسایل باهوش" برای تمایز "هوشمندی " از " باهوشی" با توجه به اینکه "هوشمندی" بایستی درارتباط با ویژگی های کارکردی(وظیفه ای) حسگر باشد و نه فقط شکل آن، در 2001 میلادی در کتاب خود ، هوشمندی را به ترتیب از پایین به بالا به صورت زیر طبقه بندی کرد :
- جبران سازی سیگنال: وسیله حسگر بصورت خودکار تغییرات در یکی از پارامترهای خروجی را جبران می کند، بطور مثال جبران دمایی در شتاب سنج سیلیکونی ،
- جبران ساختاری: جانمایی فیزیکی در طراحی حسگر بصورتی است که نسبت سیگنال به نویز کاهش پیدا کند و بنابراین کیفیت سیگنال افزایش یابد
- خود آزمونی: وسیله حسگر خودش را آزمایش می کند و بنابراین قابلیت خود عیب یابی را نیز دارد.
- چند حسگری[39] : وسیله حسگر، حسگرهای یکسان یا مختلفی را باهم ترکیب تا عملکرد کلی را بهبود ببخشد ،
- محاسبات عصبی[40]: وسیله حسگر مشخصات خود را با ساختاری زیستی مانند معماری های موازی یا پردازشگرهای شبکه عصبی[41] تسهیم می کند.اینکار را مهندسی محاسبات عصبی (مهندسی نورو مورفیک) انجام می دهد که با استفاده از فن آوری کوچک و فشرده سازی خیلی زیاد مدارات مجتمع (VLSI) در ساخت تراشه های عصبی بصورت سیستمی که مدارات آنالوگ ، دیجیتال ، حالت ترکیبی آنالوگ/دیجیتال و نرم افزار را شامل می شود تا معماری های عصبی- زیستی[42] موجود در سیستم های عصبی را تقلید و شبیه سازی کند
بنابراین طبق طبقه بندی گاردنر، یک شتاب سنج میکرو دوتراشه ای با قابلیت خود آزمونی ، حسگر باهوش با ویژگی های هوشمند نامیده می شود ( در این حالت ، به خودآزمونی بصورت فراهم کننده سطح خاصی از هوشمندی نگاه می شود و اهمیت آن درکاربردهایی است که خرابی حسگر ، معیاری بحرانی برای ایمنی تلقی می شود) .
در این طبقه بندی توجه به نکات زیر ضروری است :
- دو وظیفه اول (یعنی جبران سازی سیگنال و ساختاری) کاستی های از حسگر را جبران می کند که بعنوان "باهوشی" حسگر تلقی میشوند . "خود عیب یابی" به معنای کامل خود ، در حسگرهای معمول و نوعی لحاظ نمی شود. خود عیب یابی بگونه ای است که با خودآزمونی که نوعی اطلاعات باینری تولید می کند ( حسگر کار می کند یا خیر) خیلی متفاوت است. قطعا عیب یابی معنی بیشتر از این را دارد ، یعنی حسگر قابلیت این رادارد که وظایف عملکردی خود را بطور دقیق و از نزدیک بررسی کند و به هرگونه عیب و نقصی اشاره بکند و میزان تاثیر نامطلوب بر اندازه گیری هایش را ارزیابی کند. درحالیکه "خود آزمونی" از ویژگیهای حسگر باهوش محسوب می شود، "خود عیب یابی" ، درجه بالاتری از هوشمندی و قابلیت تصمیم گیری را درون خود حسگر دارد. بطور کلی ویژگی خود عیب یابی از ویژگی های حسگر هوشمند محسوب می شود.
- دو وظیفه بعدی ( یعنی چند حسگری و محاسبات عصبی) از دیگر ویژگی های حسگرهای هوشمند هستند . در ساده ترین شکل اگر هریک از این حسگرها، یک کمیت یا پارامتر را تحت پایش داشته و نقش افزونگی برای هم داشته باشند ، این موضوع هوشمندی سطح بالا بحساب نمی آید ،ولی اگر این حسگرهابتوانند همزمان چندین کمیت و یا پارامتر مختلف را پایش کنند و اطلاعات جدیدی از آنها استخراج نمایند ،از سطح هوشمندی بالایی برخوردارند.
از منظر اغلب نویسندگان، ویژگی هوشمندی در حسگرها اینست که آنها به سطح پایینی از مشخصات انسانی زیر نیاز دارند که بصورت توکاروجاسازی شده درون حسگر باشد، تا آنها حسگر هوشمند تلقی شوند:
- تحمل عیب
- یادگیری تطابقی[43]
- برخی قابلیت های تصمیم گیری پایه ای
بنابراین حسگر هوشمند از منظر نویسندگان را میتوان بصورت زیر تعریف کرد:
"حسگر هوشمند" ، حسگری است که با پردازش سیگنال یکپارچه شده و توانایی ارائه داده ها از سخت افزار حسگر به شکل مورد نیاز کاربرد یا سیستم مورد نظر رادارد. بطور اساسی محتوای با معنی داده ها همانی است که از سخت افزار حسگر گرفته شده است .بطور مثال اگر اندازه گیریهای بعمل آمده توسط حسگر ، در یک بازه زمانی هیچ پیش آمد یا اتفاقی را نشان ندهد ، بدنبال آن حسگر هوشمند بدون دخالت کاربرد، یک تصمیم سطح پایین برای ذخیره انرژی و توان مصرفی را می گیرد ، بشرط اینکه سیستم حسگر به اندازه کافی پیچیده باشد تا اجازه ارزیابی براساس حالات و وضعیت های درونی در دسترس را بدهد یا اینکه خروجی های متعدد (قابلیت تحمل عیب) راداشته باشد، حسگر می تواند کاربرد را به شاخص "اطمینان" مرتبط با داده های اندازه گیری شده خود مجهز کند ،بطور مثال همراه با یک حسگر ، همتای دیگری درون کاربرد وجود دارد ، لذا حسگر می تواند برخی شکل های جدید از تطابق رفتاری ازطریق "یادگیری" از همتای خود را کسب کند.
دسته سوم- حسگرهای آگاه
آنچه در هردو دسته حسگر قبلی(حسگر باهوش و حسگر هوشمند) مشترک می باشد ، این است که آنها داده های خام فراهم می کنند. دراصل قرائت ها و مقادیر خوانده شده از حسگر اصلی انتقال داده شده است، گرچه آنها خطی شده باشند، تاثیرات دمایی و پسماند تصحیح شده باشند، داده ها بصورت بسته درآمده باشند، به سمت شبکه هدایت و منتقل شده باشند . آنچه این حسگرها انجام نمی دهند اینست که داده ها را به اطلاعات تبدیل نمی کنند و حجم آنهارا تقلیل نمی دهند.
با توجه به توضیحات فوق، برای اولین بار در2006 میلادی اساتید دانشگاه کاونتری انگلستان خانم النا گوئرا و آقای رابرت نیومن در کتاب و مقالات خود ، حسگری که می تواند داده ها را به اطلاعات تبدیل کند ،"حسگر آگاه" نام گذاری کردند. بطور مثال ، حذف داده هایی که مورد نیاز نیستند و تبدیل داده های باقیمانده به فرمت و قالبی که توانایی جوابگویی به نیازهای کاربرد مورد نظر را دارند ، مثالی از توانایی حسگر آگاه است. وقتی کاربردی نیاز به اطلاعات فرکانسی سیگنالی داشته باشد ،عدم استفاده از یا حذف داده های مربوط به دامنه یک سیگنال نمونه ای از این وضعیت است . نمونه دیگر ، حسگر آگاهی است که با استفاده از ده به یک کردن زمان (حذف داده های غیر ضروری) و استفاده از تبدیل سریع فوریه (FFT) برای تبدیل فرمت وقالب داده ها ،اطلاعات مورد نیاز کاربرد را فراهم می نماید.
با توجه به موارد فوق تعریفی که النا گوئرا و رابرت نیومن از حسگر آگاه ارائه می کنند ، بشرح زیر است :
"حسگر آگاه" ، حسگری است که قابلیت های پردازشی و تصمیم گیری داشته و داده های خام از سخت افزار حسگر را به اطلاعات خاصی که کاربرد نیاز دارد تبدیل می کند.آگاهی اغلب اوقات دلالت براین دارد که کاربرد مورد نظر قابلیت پرس و جو یا پرسمان[44] با حسگر و تقاضای اطلاعات را دارد . از جمله مشخصاتی که دراغلب حسگرهای آگاه مشترک است ، مشخصه انجام تبدیل و تغییر شکل داده های خام به اطلاعات معنادار ، در صورت نیاز از طریق حذف داده های غیر ضروری ،استنباط و استنتاج ، محاسبه یا استخراج اطلاعات بجای استفاده از داده های خام فراهم شده توسط حسگر است .
بطور کلی وقتی هدف ، طراحی سیستم های چند حسگری باشدکه معمولا بیشتر به صورت شبکه های حسگر شکل می گیرد ، "آگاهی" حسگر ها پررنگتر و نیاز به آنها بیشتر می شود . استفاده از فنون مختلف هوش مصنوعی در حسگرهای آگاه نیز امکان پذیر می باشد.
تغذیه حسگرهای هوشمند
منبع تغذیه برای حسگرهای هوشمند مهم وبرای حسگرهای هوشمند بی سیم موضوعی بحرانی است . برنامه های کاربردی و معماری سیستم ها در یک سیستم توزیع شده از حسگرها، متأثر از عملکرد منبع تغذیه هستند. بطور معمول وقتی از باتری بعنوان منبع تغذیه استفاده می شود ، باعث محدودیت شدید در مصرف برق و عمر دستگاه بدون نیاز به نگهداری می شود. استراتژیهایی که بطور معمول برای مدیریت وکاهش مصرف باتری ها اتخاذ می شود ، پردازشگر حسگر را به سه حالت خواب زیر مدیریت میکند:
- حالت بیکار[45] ، که فقط پردازنده را خاموش و اگر حسگر دارای نمایشگر باشد ، صفحه نمایش را نیز خاموش می کند.
- حالت ذخیره سازی توان ، که یک تایمر ناهمزمان که میتواند فرمان خود را از پردازشگر دریافت نکند، فعالیت های پس زمینه را خاموش یا کاهش می دهد و درصورت امکان باتری را شارژ می کند.
- حالت خاموش ، که همه چیز را غیر از سیستم مراقبتی[46] خاموش می کند و دراین حالت رفتار حسگر برای کشف فعالیتهای نامطلوب پایش می شود.
مصرف برق رابطه ای معکوس با عمر باتری دارد . در برخی از کاربردها لازمست که باتری تا ده سال عمرکاری داشته باشد. پردازش ، ارسال رادیویی سیگنال و جریان الکتریکی کشیده شده از حسگر بطور معمولی و به راحتی می تواند بیش از 100 میلی وات مصرف کند ، ولی وقتی تمام اجزای موجود در حالت خواب هستند این توان مصرفی بشدت کاهش می یابد و بطور معمول به 30 میکرو وات می رسد (حدود 300 برابر کمتر) .
تغذیه حسگرها ، به خصوص حسگرهای هوشمندی که توان مصرفی بالاتری دارند ،می تواند از طریق منابع تغذیه مستقیمی که از برق متناوب بیرونی تامین میشوند انجام گیردو مزیتهای عمده این روش تغذیه ، عدم نیاز به مدیریت توان برای کاهش مصرف انرژی ،کاهش هزینه تجهیزات ،عدم نیاز به فعالیت نگهداری و درکل قابلیت اطمینان بالاتری است. درمقابل محدودیتهای این روش تغذیه، شامل محدودیت در طول کابل کشی، نزدیک بودن آنها به منبع تغذیه بیرونی، نقل وانتقال و جابجایی و قابلیت اطمینان آن که به پیوستگی تامین منبع تغذیه بیرونی بستگی دارد، است.
رویکرد دیگر برای تغذیه حسگرهای هوشمند، کسب انرژی از محیط است که فرآیندی نوآورانه بوده و انرژی مورد نیاز حسگرها ومدارات الکترونیکی به خصوص حسگرهای بی سیم را از منابع بیرونی اطراف آنها که بعنوان انرژی محیط نامیده می شود کسب می کند. بطور مثال ، انرژی های خورشیدی ، حرارتی ، باد، میدان های الکترو مغناطیسی و انرژی جنبشی حاصل از ارتعاشات ، امواج صوتی و میلی متری از طریق استفاده از تشدید کننده یا وسایل پیزو الکتریکی . این فن آوری ها در تامین انرژی ، بگونه ای حسگر ها را خودگردان از جنبه تامین توان مورد نیاز خود می سازد و طول عمر منبع تغذیه را طولانی و بدون نیاز به نگهداری بخصوص فعالیت تعویض باتری می کند.از محدودیت های این فن آوری ها میتوان به مدیریت پیچیده توان ، هزینه تجهیز اضافی مورد نیاز برای کسب انرژی محیط همراه با نیاز به منبع تغذیه یا ذخیره جداگانه برای وقتی که این تجهیز متوقف میشود و توجه به این نکته مهم که این فن آوری ها فقط در محیط های مناسب و نه در هر محیطی قابل پیاده سازی هستند اشاره کرد.
هرگونه استفاده از این مقاله ، بصورت کامل یا بخشی ازآن و به هرشکل بایستی با ذکر منبع و نویسنده آن باشد
مراجع و منابع:
Remote Sensing in Condition Monitoring; R Pietruszkiewicz1, A G Starr, A Albarbar, R Mattheys- The University of Manchester
Smart sensors in spacecraft - The impact and trends: R. Breckenridge and C. HUSSON-NASA Langley Research Center –Conference on Smart Sensors, November 1978-
- Smart Transducers: A Reconstructed Definition, a Link to Micro controllers.V.Shuma-Iwisi & G.J.Gibbon, University of WitwatersrandNew
Trends and Developments in Metrology;2016-Luigi Cocco-2016
Smart,Intelligent and Cogent Microsensors-Intelligent for Sensors and Sensors for Intelligence;Elena Gaura, Robert M. Newman-NSTI,Nanotech 2004
Smart MEMS and Sensor Systems: Elena Gaura, Robert M. Newman,Coventry University,UK-2006
Sensors in Network - Origin of Sensor Intelligence, Kazusuke Maenaka, University of Hyogo,Japan
8 ) حسگرهاي هوشمند و ارتباطات شبکه اي آنها ، محسن جزمی- پاییز 1393
[1] Micro-Electro Mechanical Sensor
[2] Intelligent Sensor
[3] Smart Sensor
[4] Cogent Sensor
[5] Op-amp
[6] Digital Signal Processor
[7] Drift
[8] Reliability
[9] Redundancy
[10] Adaptability
[11] Embedded
[12] Data Fusion
[13] Process Value-PV
[14] Self-Validation
[15]Self-Calibration
[16] Wireless Intelligent Network Sensors
[17] Manipulation
[18] Download
[19] Real-Time
[20] Checksum
[21] Integration
[22] Interoperability
[23] Scaling
[24] Robustness
[25] Sensing
[26] Transducer
[27] Actuation
[28] Self-identification
[29] Self-test / Self-diagnostics
[30] Smart Transducer Interface
[31] Transducer Electronic Data Sheet
[32] Monolithic
[33] Self-Diagnostic
[34] Self-Repair
[35] Self-Growth
[36] Bus
[37] VLSI:Very Large Scale Integration
[38] Discrimination
[39] Multi-sensing
[40] Neuromorphic
[41] Neural Network
[42] Neuro-Biological Architectures
[43] Adaptive Learning
[44] Query
[45] Idle
[46] Watchdog
اين وبلاگ با هدف اشاعه مفاهيم اندازه شناسي در زمينه كاليبراسيون وسائل اندازه گيري و تجهيزات ابزاردقيق در سطح ملي(ايران) ، باتوجه به روند رو به رشد كشور در بخش صنعت و نياز آزمايشگاههاي كاليبراسيون (وهمچنين آزمايشگاههاي آزمون) به پرداختن عميقتر به كاليبراسيون واندازه گيري ايجاد شده است .