Os sensores passivos inteligentes trazem novas opções para sensores omnipresentes que monitoram pressão, temperatura, umidade ou distância, eliminando considerações tradicionais de sensores inteligentes como volume, consumo e custo. Os designers de dispositivos agora podem expandir sistemas inteligentes e IoT para áreas e aplicações que anteriormente eram inacessíveis, sem restrições de tamanho ou preço.

A crescente dependência da tecnologia e da Internet das Coisas (IoT) está impulsionando a demanda por sensores que podem ser facilmente implantados de pequenas para grandes quantidades, com baixos custos de escalabilidade e sem manutenção.

Os avanços tecnológicos tornaram possível a conectividade entre muitos tipos diferentes de dispositivos. A conectividade que começou com os smartphones evoluiu para a conectividade de termos, eletrodomésticos, veículos e outros dispositivos conhecidos como Internet das Coisas (IoT). A Internet das Coisas é composta por muitos dispositivos que transmitem dados de um lado para o outro através de várias interfaces, e as interfaces de nuvem sem fio são comuns. À medida que o número de dispositivos conectados cresce, a demanda por mais dados também aumenta.

Há muitas fontes que geram dados e os sensores eletrônicos são geralmente usados ​​para coletar dados de dispositivos conectados. Um sensor é um dispositivo que converte características físicas ou ambientais, como temperatura e umidade, em sinais elétricos.

A demanda por dados impulsiona o crescimento do mercado de diferentes tipos de sensores, como sensores de temperatura, umidade, pressão e distância que fornecem os dados necessários para o funcionamento do sistema. Como a energia dinâmica da Internet das Coisas processa dados de diferentes canais, os sensores eletrônicos serão mais populares. De acordo com a pesquisa Markets and Markets, o mercado de sensores deverá superar 38 bilhões de dólares em 2022. A necessidade de obter mais dados de sensores de mais locais impulsionará o desenvolvimento de novos tipos de sensores que sejam menores, com menor consumo de energia e custo e que sejam fáceis de implantar em grandes quantidades e em espaços pequenos.

Estrutura de sensores eletrônicos

Os sensores eletrônicos tradicionais contêm os mesmos módulos funcionais, independentemente do design. O módulo central do sensor é o componente de detecção real. O componente de sensor é parte do sensor que responde ao ambiente do sensor e converte as condições ambientais em parâmetros elétricos. Além dos componentes de sensores, os sensores também precisam de energia para componentes eletrônicos e processamento de dados e circuitos conectados dentro dos sensores. A maioria dos sensores eletrônicos inclui componentes de detecção, módulos de alimentação e módulos de processamento de dados localizados em cada nó de detecção. À medida que mais dados de sensores são necessários, o custo necessário para expandir para vários nós de sensores torna-se um obstáculo para algumas aplicações. O tamanho físico dos dispositivos necessários para os módulos de alimentação e comunicação do sensor limita a escolha de sensores de pequeno tamanho, enquanto os sensores alimentados por bateria envolvem problemas de manutenção e ambientais, o que também limita a implantação do sensor em algumas aplicações. O custo e o tamanho dos sensores eletrônicos tradicionais limitam a expansão de redes de sensores ou a implantação de sistemas multisensores ou sensores descartáveis ​​para sensores inteligentes, impedindo o desenvolvimento da IoT.

Portanto, é necessária uma abordagem alternativa, idealmente sem depender de baterias pesadas e caras, unidades de microcontrole (MCU) e circuitos relacionados. Muitos sensores conectados passam a maior parte do tempo em modo de espera ou de sono para prolongar a duração da bateria e só precisam de energia e inteligência enquanto estão acordados para trocar pequenos pacotes com o sistema anfitrião. Se os sensores podem ser alimentados temporariamente por uma fonte de energia externa e a maior parte do processamento de dados é realizado externamente, a expansão da rede de sensores é econômica e inovações como sensores multisensores ou sensores de uso único são economicamente viáveis.

Há uma tecnologia que pode oferecer uma solução: os sensores passivos sem fio já podem ser carregados pela memória, interrogados ou reescritos por um leitor sem fio e ativados pela energia no campo RF transmitido pelo leitor. Os padrões de comunicação RFID tradicionais foram validados e são estáveis e confiáveis, proporcionando uma plataforma poderosa para o desenvolvimento de novos sensores passivos inteligentes que separam as funções de detecção dos circuitos de alimentação e controle necessários para sensores eletrônicos tradicionais.

Sensores passivos inteligentes Os sensores passivos inteligentes podem aproveitar o potencial da tecnologia e dos padrões RFID para apoiar a troca de dados sem fio fácil e eficiente em termos energéticos. A Figura 1 mostra os principais componentes funcionais de sensores passivos inteligentes, incluindo antenas, detectores de estímulo e IC de controle de blocos de sensores, que permitem a rotulagem de sensores passivos integrando uma antena impressa e um circuito de detecção de estímulo e um IC de radiofrequência.

Os sensores passivos inteligentes se comunicam usando o protocolo UHF Gen 2 padrão da indústria e podem ser lidos com um leitor RFID apropriado. Alguns leitores comerciais fixos ou portáteis passaram pela validação de etiquetas e funções. O ecossistema de sensores passivos inteligentes da Anson Semiconductor oferece um leitor portátil alimentado por bateria com antena incorporada, interface gráfica de usuário e funcionalidades de Internet das Coisas que podem servir como um centro para coletar dados de etiquetas de sensores.

Quando o leitor inicia a comunicação, o IC do sensor auto-regulador detecta umidade ou pressão medindo as mudanças de impedância no circuito de estímulo e envia esses dados, juntamente com os dados digitais de temperatura do sensor de temperatura no chip, para o leitor. Os sensores monitoram vários parâmetros, incluindo a intensidade do sinal de recepção (RSSI) de detecção de distância, movimento ou presença, bem como temperatura e umidade. Cada sensor também possui um código EPC programável como identificador de * para o sensor. A frontend RFID compensa automaticamente as mudanças ambientais para detectar umidade, pressão e outros parâmetros.

Figura 1: Sensores passivos inteligentes combinam a tecnologia RFID com blocos de sensores passivos sem MCU.

Aplicações típicas

Sensores passivos de baixo custo ou de uso único podem beneficiar uma ampla gama de aplicações importantes. Por exemplo, ao monitorar as temperaturas em vários locais dentro de um rack de servidor de centro de dados ou em uma conexão de interruptores de alta potência dentro de um interruptor de alimentação industrial, é possível monitorar as tendências de mudança de temperatura e detectar rapidamente temperaturas anormalmente elevadas para manutenção preventiva ou medidas corretivas. Os sensores passivos inteligentes estão conectados diretamente a componentes como caixas metálicas, embalagens de dispositivos ou placas de radiação para responder a consultas periódicas de leitores em todas as faixas de radiofrequência dos sensores.

A estratégia de monitoramento mostrada na Figura 2, baseada em sensores passivos inteligentes e leitores/transcendedores RFID conectados à nuvem, pode fornecer uma maneira mais rápida e econômica de proteger o dispositivo do que outros métodos, como medição de temperatura artificial ou imagem térmica.

Figura 2: Vários sensores passivos inteligentes podem monitorar a temperatura em vários locais de forma econômica.

Os rótulos de sensores inteligentes passivos também são adequados para aplicações agrícolas digitais, como a verificação de doenças de gado ou a validação de ciclos de ovulação de gado em aplicações de monitoramento de gado. Os agricultores também usam etiquetas RFID para identificação e rastreamento de animais, e os padrões da indústria para etiquetas injetáveis ​​já foram estabelecidos. Ao aumentar o investimento em equipamentos ou sistemas, os sensores passivos inteligentes ajudam a melhorar ainda mais a saúde animal e a aumentar a produção na indústria agrícola.

Da mesma forma, o uso de sensores passivos inteligentes para detecção de umidade ou pressão já foi aplicado em testes médicos, industriais e conforto e segurança de automóveis. No setor médico, os sensores de umidade podem ser ligados discretamente às roupas de cama do hospital para detectar a ocupação do paciente e a margem de cama, enquanto os sensores de temperatura não invasivos podem ser conectados à pele do paciente e monitorados sem fio usando leitores próximos.

Outras aplicações incluem testes de vazamento na indústria automotiva: a instalação rápida e fácil de um conjunto de sensores passivos inteligentes no automóvel antes do início dos testes de vazamento elimina a detecção manual e simplifica a coleta e análise de dados.

Além disso, a detecção de umidade e pressão e a detecção de distância adicional para detectar o estado dos cintos de segurança do automóvel permitem uma detecção de ocupação de lugar do automóvel mais inteligente do que os sistemas convencionais de cabos ou airbags no assento. Os sensores passivos inteligentes distinguem o corpo humano dos objetos colocados no assento e, com poucos custos adicionais, podem facilmente estender a detecção para os assentos traseiros do passageiro e os assentos móveis.

Em muitas aplicações, desde automação doméstica e veículos conectados até controle industrial, inspeção de qualidade, agricultura, saúde, construção e gerenciamento da cadeia de suprimentos, as etiquetas de sensores passivos inteligentes também completam muitos outros tipos de detecção de vazamentos, detecção de ocupação de lugar e monitoramento de níveis de temperatura ou umidade.

Resumo

Os sensores passivos inteligentes trazem novas opções para sensores omnipresentes que monitoram pressão, temperatura, umidade ou distância, eliminando considerações tradicionais de sensores inteligentes como volume, consumo e custo. Os designers de dispositivos agora podem expandir sistemas inteligentes e IoT para áreas e aplicações que anteriormente eram inacessíveis, sem restrições de tamanho ou preço.