Интернет вещей

Тема 2: Как собираются данные?

Урок 1: Как собирают данные

  • Видео
  • Тренажер
  • Теория
Заметили ошибку?

В этом модуле вы узнаете:

  • — что на самом деле называют "датчиком";

  • — как устройства собирают, передают и получают информацию;

  • — что и как мы можем измерять и контролировать на ферме, в городе и на предприятии;

  • — какие факторы влияют на выбор датчика;

  • — и можно ли разобраться в "зоопарке" датчиков с помощью описаний с Aliexpress.

А в конце вы сами попробуете выбрать датчики для "умной" теплицы и убедитесь, насколько это сложно, если вы не специалист.

Как мы собираем данные с помощью устройств и датчиков

Как работают автоматические двери с датчиком движения, можно ли поставить датчик внутрь коровы и зачем РЖД сверхчуткий сенсор длиной 3 километра — ментор курса Николай Шевалье рассказывает о самых привычных и самых необычных устройствах из мира интернета вещей и о проблемах, которые они помогают решать.

Что стоит внутри устройства: датчик, микроконтроллер и другие компоненты

Как разные приборы и объекты научились собирать информацию, решать, стоит ли передавать ее человеку, — и даже стали запускать себя сами.

Датчик — всего лишь деталь. Очень часто люди называют “датчиком” весь предмет, который мы подключаем к интернету вещей. Это ошибка: предмет собирают из разных компонентов, в том числе датчика, выбирая элементы под конкретного заказчика и задачу. Сам получившийся из деталей предмет правильнее называть “устройством”.

Устройства чаще всего состоят из:

Нажмите на точки, чтобы прочитать описания компонентов

Точки на картинке:

  1. Датчик

    Это чувствительный элемент, который контактирует с окружающей средой: измеряет показания, реагирует на объекты и создает сигнал об этом. Например, в датчике температуры металл или специальная термопленка реагируют на тепло вокруг.

  2. Микроконтроллер

    Это простой бортовой компьютер, который получает сигнал от датчика и реализует логику работы всего устройства. Например, датчик может отдавать показания раз в секунду, а микроконтроллер будет принимать решение, передавать ли данные человеку. Если мы программируем его реагировать только на температуру выше +30 С, он отправит нам уведомление, лишь когда она превысит эту норму.

  3. Радиомодуль

    Чтобы передавать данные и принимать их извне, к микроконтроллеру подключают передатчик: его начинка зависит от технологии обмена данными — например, там может стоять привычная нам сим-карта.

  4. Актуатор

    Актуатор (исполнительное устройство) — это реле или транзистор, которое мы добавляем к устройству, чтобы оно могло что-то переключать — по сигналу от микроконтроллера или по дистанционной команде, которую примет радиомодуль. Например, если температура выйдет за допустимый предел, актуатор может включить вентиляцию или кондиционер, а вы получите уведомление об этом.

  5. Источник питания

    Тут все просто — электронике нужно электричество. В зависимости от энергопотребления и задачи мы можем питать устройство от батарейки или от сети по проводу.

Встречаются устройства без датчика — например, умный замок. Когда мы подходим к двери, на его радиомодуль поступает входящий запрос от нашего телефона или пропуска. Микроконтроллер сверит номер пропуска или информацию о телефоне с хранящимися в его памяти данными о правах доступа. Если доступ разрешен, он отправит команду на исполнительное устройство — и актуатор запустит механизм, отпирающий замок.

Гораздо чаще встречаются устройства без актуатора — но с датчиком.

Одна из самых частых задач — мониторинг. То есть мы просто хотим, чтобы устройство снимало показания и отправляло их нам, ничего больше не делая. Можно не тратиться на актуатор, поэтому многие приборы в интернете вещей работают без исполнительных устройств.

Можно подключать к интернету вещей уже имеющиеся датчики и приборы. Многие механизмы и объекты инфраструктуры на предприятиях и в городах уже оснащены электронными или хотя бы механическими датчиками. Если мы хотим оцифровать информацию с них, можно добавить к приборам недостающие электронные компоненты и элементы питания. Окончательно решить, можно ли усовершенствовать старые датчики, либо придется менять их на поколение устройств поновее, может только квалифицированный инженер.

Что умеют считать, замечать и контролировать устройства и датчики в них

Нажмите на точку на картинке, чтобы узнать, какой датчик или устройство мы используем и зачем.

На ферме

  1. В ухо коровы мы поместили бирку с индивидуальной радиочастотной меткой и несколькими датчиками: температуры, позиции в пространстве, уровня активности — так мы наблюдаем за животным и ведем его медкарту в режиме 24/7.

  2. Умные весы распознают метку в бирке и дополняют цифровую карточку животного данными регулярных взвешиваний.

  3. Умный доильный аппарат анализирует состав и объем жидкости, чтобы мы автоматически вели статистику надоев и жирности молока для каждой коровы.

  4. GPS-маячок поможет нам понимать, где сейчас работает техника, где она побывала и сколько прошла за день, делала ли остановки и так далее.

  5. Датчики уровня топлива и других горюче-смазочных материалов помогут вести строгий учет — например, солярку нельзя будет незаметно слить.

  6. Датчики влажности и температуры почвы подскажут, когда земля подсохнет или начнет промерзать, а датчики солевого состава и кислотности помогут понять эффект от внесения удобрений.

  7. Измеряя температуру, влажность воздуха и уровень CO2, мы сбережем растения от холода, перегрева и нехватки углекислого газа для фотосинтеза.

  8. Датчик освещенности поможет нам понять, когда пора включать искусственное солнце для растений.

На производстве

  1. Радиометки в пропуске сотрудников и на территории завода позволят понимать, когда кто зашел в цех, и контролировать присутствие людей в помещении.

  2. Радиометки и датчики помогут оценивать риск опасного сближения людей и техники.

  3. Датчики вибрации на подвижных узлах станков помогут выявлять износ деталей на раннем этапе.

  4. Датчики температуры помогут зафиксировать перегрев подвижных узлов и механизмов — сигнал перегрузки или грядущей поломки.

  5. Датчики движения помогут сохранить здоровье работников — мы можем заметить руку до того, как она попадет в опасную зону станка.

  6. Радиомаячки на складе помогут автоматическим погрузчикам находить нужную продукцию и развозить все по своим местам.

  7. Датчики условий хранения помогут контролировать температуру, влажность, уровень пыли, обнаруживать протечки и дым на складе.

  8. Датчики экологического мониторинга зафиксируют вредный выброс или снижение качества воздуха.

В городе

  1. На фонарные столбы ставят массу полезных вещей: датчики освещенности, контроллеры яркости света, датчики качества воздуха и даже датчики выстрелов — последние нужны полиции.

  2. Датчики движения помогают собирать информацию о потоке машин, чтобы оптимально переключать светофоры. Мы также можем оснастить светофоры дополнительными датчиками для диагностики неисправностей.

  3. Датчики присутствия помогают следить за заполнением парковочных мест и собирают данные о доступности паркинга.

  4. Датчики учета пассажиропотока собирают данные, чтобы мы понимали, на каком маршруте не хватает транспорта.

  5. Умный замок, датчик топлива и GPS — обычный комплект для машин каршеринга.

  6. Датчик наклона позволяет следить за сохранностью люков и другого коммунального имущества, которое могут попробовать украсть на металлолом.

  7. Приборы индивидуального учета воды, электроэнергии, тепла, газа могут не только замерять расход ресурсов: некоторые модели имеют функцию ограничения — чтобы дистанционно отключать неплательщиков.

  8. Датчики открытия и движения помогают следить, чтобы посторонние не проникли в подвалы, на чердак, в трансформаторные будки и другие нежилые помещения.

  9. Датчик объема помогает определить, когда переполнится мусорный контейнер.

Почему не нужно выбирать датчик без специалиста

“Все датчики в индустриальном интернете вещей выбраны профессионалами, не пытайтесь повторить это самостоятельно”, — такое предупреждение впору показывать всем, кто решится купить датчики без консультаций с инженерами.

Готовые решения из поиска подойдут лишь для домашнего интернета вещей. Для индустриального интернета вещей требуется разрабатывать свой проект.

Каждый проект будет уникальным. Нам каждый раз нужно формулировать требования, учитывать все факторы и выбирать оптимальный датчик из десятков и сотен образцов с похожими названиями и разными характеристиками. Ошибка в лучшем случае будет стоить нам денег. А иногда и гораздо больше.

Разберемся на примере.

Мы решили дополнительно защитить людей в шахте — дать каждому компактный газоанализатор. Он будет собирать данные о концентрации метана в тех местах забоя, где сейчас находятся шахтеры, и поможет подать всем сигнал об эвакуации.

Мы идем в поиск, чтобы примерно понять, сколько это будет стоить, — и видим готовое устройство с каталитическим датчиком, куда остается только вставить батарейку. “Всего за $5”, — радуемся мы. Казалось бы, задача решена. Но только потом выяснится, что такой датчик предназначен лишь для поиска бытовых утечек газа, ненадежен в шахте и “съедает” батарейку за полсмены.

“Хорошо, может, возьмем этот оптический датчик”, — он может работать от одной зарядки месяц, супернадежен, но и стоит $200 — и это без микроконтроллера, батарейки, корпуса, наконец. То есть цена готового устройства, которое можно разбить или банально потерять, будет высока. Нам не дадут такой бюджет.

И только специалист, выслушав, что и зачем вы хотите измерять, а затем задав дополнительные вопросы и взвесив варианты, посоветует оптимальное решение. Например, для шахты подойдет электрохимический датчик — работает долго, надежен, уловит метан, а стоит всего $30. Лучшее решение не всегда лежит на поверхности.