همه چیز درباره سنسور هوشمند؛ ابزاری ضروری برای آینده مدرن - کتاب یار مهربان

به گزارش کتاب یار مهربان، یک سنسور هوشمند را می توان در وسایل و گجت های الکترونیکی مختلفی مشاهده کرد. با این حال، سوال اینجاست آیا ما واقعا به سنسورهای هوشمند نیاز داریم؟ آیا شرایط زندگی امروزه ایجاب می نماید ما حتما از سنسورهای هوشمند برای کنترل بعضی از وسایل الکترونیکی استفاده کنیم؟ در این مقاله قصد داریم ضمن پاسخ به این دسته از سوال ها، سنسورهای کاملا هوشمند در انواع و اقسام مختلف را معرفی کنیم.

کاربرد سنسور هوشمند

برای داشتن یک خانه هوشمند، نیاز است تا وسایل و گجت های الکترونیکی به سنسورهای هوشمند مجهز شوند. بعضی از سنسورهای هوشمند به شما یاری می نمایند تا از وقوع اتفاقات ناخواسته مثل آتش سوزی در امان باشید. با این حال، قبلا از این که توضیح دهیم سنسورهای هوشمند چه کاربردی دارند، اجازه دهید ابتدا به طور دقیق به این موضوع بپردازیم که سنسور هوشمند به چه معناست.

یک سنسور هوشمند، دستگاهی است که از حداقل یک مبدل برای دریافت و جمع آوری اطلاعات از محیط فیزیکی برخوردار است تا بر اساس این اطلاعات، عملنمودهای از پیش برنامه ریزی شده ای را اجرا کند. یک سنسور هوشمند می تواند به شبکه جهانی اینترنت هم متصل گردد.

از ویژگی های یک سنسور هوشمند استاندارد می توان به خود شناسی، داده های سنسور دیجیتال، خود تنظیمی هوشمند، ظرفیت سنجش چندگانه و بعلاوه وجود قابلیت برای پیکربندی از راه دور اشاره نمود.

سنسور هوشمند چگونه کار می نماید؟

سنسورهای هوشمند با دریافت اطلاعات از محیط فیزیکی و تغییر پارامترهای فیزیکی نظیر سرعت، دما و فشار، سیگنال های الکتریکی قابل محاسبه ای را ایجاد می نمایند. این سنسورها بعلاوه شامل یک پردازنده حرکتی دیجیتال یا به اختصار (DMP) هستند. در واقع می توان DMP را یک نوع میکرو پردازنده نامید که اجازه می دهد تا سنسور، پردازش های مربوطه روی بورد خود را به طور دقیق انجام دهد. سنسورهای هوشمند دارای چهار عملکرد اصلی اندازه گیری، پیکربندی، تاییدیه و ارتباط هستند.

اندازه گیری در واقع همان شناسایی سیگنال های فیزیکی و تغییر آنها به سیگنال های الکتریکی محسوب می گردد. بنابراین، می توان اندازه گیری را به مولفه هایی مثل دما، ترافیک و کاربردهای صنعتی نسبت داد. پیکربندی، یک قابلیت حائز اهمیت به شمار می رود که به سنسور هوشمند یاری می نماید تا موقعیت ها را شناسایی کند. از طرفی دیگر مولفه تاییدیه، کاربردهای متفاوتی دارد. این المان بیشتر می تواند حکم یک ناظر را در انجام فرایندها داشته باشد تا مدارها و فرمان ها به درستی اجرا شوند. در نهایت امر، ویژگی ارتباطی به سنسور اجازه می دهد با میکرو کنترلر/ ریز پردازنده اصلی وارد مکالمه گردد.

دیاگرام سنسور هوشمند

در یک دیاگرام می توان کل مفهوم یک حسگر هوشمند را توضیح داد. همان طور که در نمودار شکل زیر مشاهده می کنید، واحدهای مختلفی برای هر بلوک می توان تعریف کرد که هر کدام، وظیفه خاص خود را باید انجام دهند.

واحد حسگر

این واحد تغییرات در پارامترهای فیزیکی را شناسایی نموده و به اندازه این مقادیر، سیگنال های الکتریکی را فراوری می نماید.

واحد تهویه

واحد تهویه ، سیگنال الکتریکی مربوطه را با سطحِ عملیات های مرحله بعد به گونه ای تطبیق می دهد تا اطلاعاتی در این میان از بین نرود.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

مبدل آنالوگ به دیجیتال یا به اختصار ADC سیگنال مربوطه را از قالب آنالوگ به دیجیتال تبدیل نموده و در ادامه آن را به میکرو پردازنده ارسال می نماید.

رابط کاربری موضعی

رابط کاربری محلی یا موضعی که به اختصار به LUI معروف است، دستگاه خاصی محسوب می گردد که باید به پنل سنسور هوشمند اتصال پیدا کند. این جزء به کاربر یاری می نماید تا فرایند های اجرایی را کنترل و بعلاوه تجهیزات سیستم را رصد کند.

الگوریتم برنامه

تا به اینجا متوجه شده ایم که سیگنال های معینی به وسیله مولفه های فیزیکی در داخل سنسورهای هوشمند به دست می آید. این دسته از پیغام ها باید به نحوی در داخل سنسور هوشمند مورد پردازش قرار گرفته تا سیگنال های خروجی به دست آید. این فرایند مهم به وسیله المان های زیر انجام می گردد:

حافظه

همان طور که از نام این بخش معین است، حافظهْ محلی برای ذخیره اطلاعات و اطلاعات پردازش شده به شمار می رود.

واحد ارتباطی

سیگنال های خروجی از الگوریتم برنامه یا میکرو پردازنده به وسیله واحد ارتباطی به ایستگاه اصلی منتقل می شوند. این واحد بعلاوه پیش نیازِ دستورهای معینی را از ایستگاه اصلی برای اجرای وظایف خاص دریافت می نماید.

انواع سنسورهای هوشمند

انواع متفاوتی از سنسورهای هوشمند در سطح بازار موجود هستند. در ادامه چند مدل رایج را به طور خلاصه معرفی می کنیم.

سنسورهای سطح (Level Sensors)

سنسور طرح یک مدل دستگاه هوشمندی است که برای رصد و کنترل اندازه سطح مایعات مورد استفاده قرار می گیرد. هر زمان که سطح مایع حس گردد، این حسگرْ اطلاعات مربوطه را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می نماید.

سنسورهای سطح به دو دسته نقطه ای و پیوسته طبقه بندی می شوند. سنسور سطح نقطه ای برای مشخص این موضوع که آیا مایع به نقطه دقیقی در ظرف رسیده مورد استفاده قرار می گیرد؛ در حالی که سنسورهای نوع پیوسته به منظور ارائه اندازه گیری های دقیق برای سطوح مایع استفاده می گردد. این سنسورها به طور عمده در صنایع مختلف نظیر ساخت اتومبیل و بعلاوه فراوری تجهیزات خانگی به کار می آیند.

سنسورهای دمایی (Temperature Sensors)

سنسورهای دمایی همان طور که از نامش هم پیداست، برای اندازه گیری دماها نظیر دمای مایع، هوا یا حتی دمای یک ماده جامد به کار می روند. این سنسورها در انواع مختلفی موجود هستند. این تنوع بر اساس متریال های به کار رفته در هر حسگر به وجود آمده است. از سنسورهای دمایی برای ساخت دستگاه های پزشکی، کامپیوترها، اتومبیل ها، وسایل آشپزی و سایر موارد استفاده می گردد.

سنسورهای فشار (Pressure Sensors)

حسگر فشار یک مدل مبدل است که می تواند فشار مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند. این مدل حسگر هم شبیه به سایر سنسورها، انواع و اقسام مختلفی دارد. این تنوع بر اساس ظرفیت، اندازه، فناوری حسگر، متد اندازه گیری و پیشنیازهای سیگنال های خروجی تعریف می گردد. این سنسورها نقش کلیدی در کنترل خط فراوری داشته و در صورت نشت مواد مختلف در این حیطه، زنگ هشدار را به صدا در می آورد تا بتوان خط فراوری را بازسازی نموده یا حداقل تا پیدا کردن مشکل به وجود آمده، خط فراوری را متوقف کرد.

سنسورهای مادون قرمز (Infrared Sensors)

سنسور مادون قرمز یک مدل دستگاه الکترونیکی به شمار می رود که با انتشار یک نور می تواند بعضی از اشیای محیط را شناسایی کند. بعلاوه از همین فناوری برای اندازه گیری گرمای اشیا یا شناسایی تحرک استفاده می گردد. تمام اشیا به طور کلی از خود حرارت آزاد می نمایند که در طیف امواج نورهای مادون قرمز قابل رویت خواهد بود. این طیف به وسیله سنسورهای مادون قرمز به راحتی قابل شناسایی است.

سنسورهای مادون قرمز شامل یک فرستنده نظیر یک LED مادون قرمز و یک گیرنده به نام فوتودیود مادون قرمز هستند. برای انتقال امواج مادون قرمز، سه نوع مدیا یا واسط نظیر فیبرهای خلا، اتمسفر و نوری استفاده می گردد. این حسگرها در ساخت دستگاه های دید در شب، ترمومترهای تابشی، رصد و تصویربرداری های مادون قرمز و … کاربرد دارند.

سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors)

یک حسگر هوشمند مثل سنسورهای مجاروتی برای آگاه شدن از نزدیکی اشیا در محیط اطراف بدون برقراری ارتباط مستقیم با آنها مورد استفاده قرار می گیرد. این سنسورها اغلب در سیستم های جلوگیری از برخورد و هشدارهای مربوط به برخورد اشیا کاربرد دارند. این حسگرها از نور، صوت، تابش امواج مادون قرمز و حتی از میدان های الکترومغناطیسی برای آگاه شدن از موقعیت اشیا بهره برداری می نمایند. سنسورهای مجاورتی امروزه در صنایع رباتی به شدت پرکاربرد هستند. بعلاوه بدنه پشت اتوموبیل های با کیفیت را به سنسورهای مجاورتی مجهز می نمایند تا راننده ها فرایند پارک ماشین را راحت تر انجام دهند.

سنسورهای تشخیص کیفیت هوا (Air Quality Detection Sensors)

حسگرهای تشخیص کیفیت هوا دستگاه های الکترونیکی هستند که آلودگی هوا را رصد و شناسایی می نمایند. بنابراین، از این سنسورها می توان برای سنجش کیفیت هوا در محیط های سر بسته و حتی سر باز استفاده کرد. حسگرهای کیفیت هوا قادر هستند غلظت گاز کربن دی اکسید (CO2) و بعلاوه VOC (ترکیبات آلی فرار) را اندازه گیری نمایند که دارای متان و آمونیاک به عنوان گاز هستند.

سنسورهای حرکتی (Motion Sensors)

سنسورهای حرکتی دستگاه های الکترونیکی به شمار می روند که برای شناسایی تحرک در داخل یک محیط یا حتی محوطه بیرون از منزل استفاده می شوند. سنسورهای حرکتی معمولا مجهز به زنگ هشدار هستند. برای مثال، این حسگر می تواند به محض شناسایی تحرک شما در منزل، چراغ های اتاق را روشن کند.

در سناریوی دیگر، اگر یک فرد دزد وارد منزل گردد، به سرعت یک پیغام هشدار به اولین مرکز پلیس در نزدیکی منزل ارسال می گردد. این سنسورها برای کاربردهای امنیتی در منازل و اداره ها استفاده می گردد. امروزه از سنسورهای حرکتی در ساخت کنسول های خانگی، سیستم های واقعیت مجازی، گوشی های هوشمند و سایر گجت های هوشمند بهره برداری می گردد.

سنسورهای گیاهی هوشمند (Smart Plant Sensors)

سنسور گیاهی در واقع یک مدل حسگر باغ داری پیشرفته به شمار می رود که اطلاعات معینی را از بخش های مختلف گیاهان موجود در محیط، برای کاربر گردآوری می نماید. این اطلاعات به باغبان ها یاری می نماید تا مواد مورد نیاز برای تغذیه گیاهان را سریع تر از موعد مقرر مهیا کند.

نحوه کار با سنسورهای هوشمند باغبانی به شدت آسان است. تنها کاری که باغبان باید انجام دهد، قرار دادن سنسور در داخل خاک در مجاورت گیاهان است. بعد از انجام این کار، حسگر مربوطه اندازه رطوبت، شدت نور و حتی دما را به طور اتوماتیک اندازه گیری می نماید. حتی در سنسورهای باغبانی پیشرفته یک مدل سیستم پیغام رسانی به موبایل هم وجود دارد تا کاربر از راه دور هم بتواند مولفه های مختلف را آنالیز کند.

سنسورهای هوشمند آب و هوا (Smart Climate Sensors)

سنسورهای هوشمند آب و هوا برای جمع آوری اطلاعات اقلیمی نظیر فشار بارومتر، دما و رطوبت کاربرد دارند. این سنسورها برای ارزیابی آب و هوای آینده نزدیک بسیار مفید هستند. این نوع حسگرها به شما یاری می نمایند تا برای روزهای آینده خود به درستی برنامه ریزی کنید.

این نوع سنسورهای هوشمند هم معمولا به گوشی هوشمند متصل شده و می توان به طور مداوم تغییرات آب و هوایی را رصد کرد. می توان سنسورهای هوشمند اقلیمی را یک نوع ابزار الزامی برای باغبانی و کشاورزی قلمداد کرد.

مزایا و معایب بین حسگرهای هوشمند و معمولی

مزیت و فوایدی که سنسورهای هوشمند دارند به توضیح زیر است:

• اندازه کوچکی دارند.
• استفاده از سنسورهای بسیار ساده و آسان است.
• سطح کارایی این مدل حسگرها بسیار بالاست.
• سرعت ارتباط به علت تبدیل مستقیم با پردازنده بالاتر محسوب می گردد.
• قابلیت های خود تنظیمی در این نوع حسگرها به طور معمول وجود دارد.
• این حسگرها می توانند ایرادات مختلف را نظیر آلودگی داخلی متوجه شوند.
• این سنسورها، فرایندهای فراوریی که به تغییر نیاز دارند را به راحتی بهینه سازی می نمایند.
• این ابزارها می توانند اطلاعات سیستمی بسیار زیادی را ذخیره نمایند.

معایب سنسورهای هوشمند به توضیح زیر است:

• سنسورهای هوشمند مادامی که سالم هستند قابل اطمینان به نظر می رسند. با تخریب بعضی از اجزای سنسورها و بعلاوه به سرقت رفتن سنسورها می تواند تبعات بدی برای صاحب سنسورها در پی داشته باشد.
• حسگرهای هوشمند برای کار حتما به محرک نیاز دارند. اگر محرکی در کار نباشد، نتیجه ای هم در کار نخواهد بود.
• تنظیم یا کالیبراسیون دستگاه حتما باید به وسیله یک پردازنده خارجی انجام گردد.
• به علت پیچیده بودن سنسورها و کمیاب بودن تجهیزات به کار رفته در سنسورهای پیشرفته، هزینه خرید سنسورهای هوشمند برای همه افراد به صرفه نیست.

آینده در دستان شما

خرید دستگاه هایی که مجهز به سنسورهای مختلف هوشمند هستند، می تواند تجربه فوق العاده لذتبخشی را برای شما در پی داشته باشد. با این حال، هزینه سنسورها بر اساس نوع کیفیت و برند متغیر است. در حال حاضر، رایج ترین و شناخته شده ترین حسگرهای هوشمندی که در جامعه موجود است را می توان سنسورهای حرکتی و مجاورتی تلقی کرد. سنسورهای حرکتی همان طور که در این مطلب توضیح داده شده، در انواع و اقسام مختلف به فروش می رسند.

با تمام این تفاسیر، در این مطلب سعی شده ابتدا مفهوم سنسورهای هوشمند به زبان ساده توضیح داده شده و سپس انواع و اقسام سنسورها به طور خلاصه معرفی شوند. دیر یا زود در آینده با دستگاه و گجت های الکترونیکی پیشرفته تری روبه رو می شویم که به این نوع سنسورها تجهیز شده اند. در یک کلام، آینده مدرن از آن چیزی که تصور می کنید زودتر اتفاق خواهد افتاد!