Vom Sensor bis zur Cloud Präzision zählt

Konzept eines IoT-Gerätes und was es bietet.

Das Internet der Dinge (IoT) beruht, vereinfacht ausgedrückt, auf dem Konzept, jedes mit einem Sensor oder Controller ausgestattete Gerät an das Internet anzubinden. Prinzipiell ist das IoT einfach nur eine Messsignalkette, die mit der Cloud verbunden ist. Was sollte deshalb ein IoT-Gerät bieten?

Typische Geräte für das IoT sind Mobiltelefone, Haushaltsgeräte, Komponenten von Maschinen und Wearables. Im Sensor-/Mess-Teil werden analoge Signale aus der realen Welt in einen digitalen Datenstrom transformiert (Bild 1). Die digitalen Daten können dann verarbeitet, übertragen und analysiert werden. Im Anschluss daran werden anhand der Ergebnisse bestimmte Entscheidungen getroffen. Dabei ist das Konzept, physikalische Phänomene wie Licht, Geräusche, Druck oder Temperatur in digitale Daten zu wandeln, alt.

Die Evolution des IoT hat die Entscheidungen, die auf der Basis dieser digitalen Daten mit Hilfe sogenannter "Meta Patterns" und der Leistungsfähigkeit der Computer-Modellierung getroffen werden, transformiert. Ermöglicht wird dies durch die Cloud und ihre riesigen Speicherkapazitäten bzw. Verarbeitungsmöglichkeiten. Einige traditionelle Messvorgänge wie Temperaturmessungen sind bestens bekannt und kommen als Standalone-Messungen und in Verbindung mit anderen Messungen zum Einsatz. Zum Beispiel müssen bei elektromechanischen Messungen Temperatureinflüsse berücksichtigt werden. Alternativ gibt es neuere, spannende Sensorentwicklungen, die einen immensen Einfluss auf die Welt des IoT haben können.

Ein Beispiel dafür sind MEMS-Beschleunigungssensoren. Diese Sensoren bilden die Basis für Vibrationserkennung und arbeiten über mehrere Achsen. Sie ermöglichen die Stabilisierung von Systemen wie Drohnen, portablen Geräten oder Kameras. Vibration wird auch in Health-Tracking-Geräten verwendet, um die persönliche Gesundheit zu messen. Sensoren in Gesundheits- und Fitness Wearables müssen permanent eingeschaltet sein. Sie liefern Signale beziehungsweise Informationen über Körperbewegungen, die man entsprechend analysieren kann, zum Beispiel beim Laufen, Radfahren oder Walking. Die Echtzeitdaten der Sensoren werden an eine Vielzahl portabler Gesundheits- oder Fitness-Applikationen weitergeleitet.

Am Beispiel eines Beschleunigungssensors stellt sich die Frage, was ein IoT-Gerät bieten sollte. Und was ist der Nutzen einer genaueren Messung?

Erstens sollte das IoT-Gerät eine niedrige Leistungsaufnahme bieten. Der ADXL362 von Analog Devices (Bild 2) beispielsweise ist ein dreiachsiger MEMS-Beschleunigungssensor mit sehr niedriger Energieaufnahme. Das Bauteil nimmt bei einer Ausgangsdatenrate von 100 Hz weniger als 2 µA auf (Bild 3). Im bewegungsgetriggerten Wake-up-Modus reduziert sich die Stromaufnahme auf 270 nA. Dies ermöglicht lange Batterielaufzeiten.

Zweitens müssen Bandbreite und Auflösung stimmen. Beim ADXL362 gibt es kein Aliasing von Eingangssignalen durch Unterabtastung. Er tastet die gesamte Bandbreite des Sensors bei allen Datenraten ab und weist ein geringes Rauschen auf. Dies ermöglicht die Messung kleinster Signale. Für Anwendungen, bei denen ein Rauschpegel gewünscht ist, der niedriger als der normale Pegel des ADXL362 von 550 µg/?Hz ist, kann eine von zwei Lower-Noise-Betriebsarten (bis hinunter auf 175 µg/?Hz typ.) gewählt werden. Der Versorgungsstrom steigt dabei nur gering an.

Bessere Qualität der Daten zählt

Doch was ist der Nutzen dieser Präzisionsmessung? Bauteile mit geringem Rauschen und geringer Drift maximieren die Fähigkeiten von Sensoren und ermöglichen einen größeren Dynamikbereich. Dies bedeutet, dass mit der Hardware eine größere Vielzahl kleinerer Signale gemessen werden kann. Genauere, empfindliche und differenzierte Endsysteme lassen sich somit entwickeln.

Diese höhere Genauigkeit erlaubt die Entwicklung von Plattform-Hardware, die heutige und künftige Messanforderungen erfüllt und somit zukunftssicher ist. Deshalb kann die gleiche Hardware für mehrere Produktgenerationen verwendet werden. Damit verbunden ist der Vorteil niedrigerer Kosten, speziell deshalb, weil ein Austausch von Hardware schwierig und teuer sein kann. Dies trifft insbesondere auf das IoT zu, da die Zahl der Sensoren und somit der Umfang der zugehörigen Hardware laut Prognosen explosionsartig steigen wird. Analysten von Gartner sagen, dass es bis 2020 über 26 Mrd. vernetzte Geräte geben wird. Dies sind sehr viele Verbindungen. Darüber hinaus ermöglicht die drahtlose Verbindung von Geräten im Rahmen der IoT-Signalkette ihre Platzierung an schwer zugänglichen Orten mit rauen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel in Produktionseinheiten von Fabriken. Ein weiterer Faktor können zunehmend strengere behördliche Vorschriften in unterschiedlichen Regionen sein. Dazu gehören Gasemissionen, Energieaufnahme und Steuerung von Umwelteinflüssen. Diese möglichen neuen und sich ändernden Vorschriften, die genauere Messungen mit vorhandener Hardware erfordern, lassen sich mit einem besseren Messsystem erfüllen. Wenn man in der Lage ist, neue und künftige Messanforderungen zu erfüllen, lässt sich das Überleben auf dem von Wettbewerb geprägten und von Anbietern überlaufenen IoT-Markt sichern. Daher kann die Bedeutung einer stabilen und genauen Hardware-Messplattform nicht hoch genug eingeschätzt werden. Wenn die Plattform eingerichtet ist, lässt sich eine Systemdifferenzierung über Software erreichen. Speziell beim IoT erweisen sich diese Fähigkeiten als ein Gebiet, auf dem sich Unternehmen zunehmend vom Wettbewerb unterscheiden können. Ferner sind Systemerweiterungen leichter und einfacher und können in Echtzeit erfolgen.