Sensorfizierung
Produkte einfach intelligent machen
Ein neues, multimodales Baukastensystem aus Sensoren und intelligenter Auswerteelektronik mit integrierter KI ermöglicht eine schnelle und effiziente Produktrealisierung, speziell fürLife-Science, Medizintechnik und BioTech.
Die Karriere eines Entwicklers wird meist schon in jungen Jahren geprägt. Zum Geburtstag oder zu Weihnachten gibt es die ersten Baukästen, in denen spielerisch das Zusammenbauen der ersten Modelle von Gebäuden oder Fahrzeugen erlernt wird.
Später im Beruf sitzt der hoffnungsfrohe Ingenieur an seinem Schreibtisch und steht vor der Herausforderung, für Produkte mit zunehmender Komplexität möglichst schnell optimale Lösungen zu finden, die insbesondere auch für neue Anwendungen wie im IoT mehrere verschiedene Sensorelemente und Energieautarkie benötigen.
Hier kommen die Partner accensors und GED Gesellschaft für Elektronik und Design mit ihren völlig neuen Entwicklungen ins Spiel. Gemeinsam wurde das Know-how aus der langjährigen Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und ihren eigenen Erfahrungen vereint, um Entwicklern Baukastensysteme anzubieten, die eine Integration von Sensoren und Auswerteeinheiten mit entsprechender Energieversorgung erheblich erleichtert.
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Die Idee: Ähnlich wie die Hersteller der Baukästen, die unsere Kindheit geprägt haben, setzen accensors und GED auf ein multimodales System. Es besteht aus einzelnen Sensoren sowie Elektronik- und Softwaremodulen, die sich individuell zusammenfügen lassen, um kundenspezifische Sensorsysteme und Auswerteeinheiten zu realisieren. Das Ergebnis ist die schnelle und kosteneffiziente Sensorintegration in Industrie-4.0-Anwendungen für die Entwicklung von cyberphysischen Systemen (CPS) mit einer deutlich schnelleren Time to Market (Bild2).
SMD-Foliensensoren einfach aufkleben wie Sticker
Das sensorische Bauteil dieses Systems sind die modernen SMD-Foliensensoren von accensors. Diese Sensoren ermöglichen es, präzise Messungen durchzuführen, indem sie einfach wie Sticker aufgeklebt werden. Mit einer Größe von nur 7,60 mm × 5,60 mm und einer aktiven Messfläche von 2,5 mm im Durchmesser bieten sie eine bemerkenswerte Leistung auf kleinstem Raum. Diese Sensoren sind sofort einsatzbereit und können problemlos an verschiedenen Kontaktierungspunkten angebracht werden, um eine Vielzahl von Parametern wie pH-Wert, Temperatur, chemische und bioelektrische Größen zu messen.
Dank additiv hergestellter Sensortechnologie ermöglicht accensors eine einfache Massenproduktion, die die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der Sensoren erhöht. Die Flexibilität dieser Sensoren macht Messungen auch abseits von starren PCBs möglich, was ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Branchen wie der Medizintechnik, Biotechnologie und Lebensmittelindustrie erweitert.
Konfigurierbares Sensor-Modulsystem
GED ergänzt mit dem SensorNode-Hard- und Softwarebaukasten die Möglichkeit für die einfache Konfiguration eines miniaturisierten leistungsstarken Multi-Sensorsystems. Mit Steckmodulen, die nicht größer als ein Stück Zucker sind (16 mm × 18 mm), ist der GED-SensorNode äußerst kompakt und kann selbst in engen Bauraumverhältnissen eingesetzt werden. Dank integriertem Bluetooth-Funk, Akku sowie optionalem Energy-Harvesting sind keine Kabel notwendig.
Neben dem Controller- und Energiemodul stehen weitere Module mit MEMS-Sensoren zur Verfügung, wie Gyro- und Beschleunigungssensor, akustische und optische Sensoren, Kraft- und Drucksensoren, die ein breites Spektrum an hochintegrierter Sensorfunktionen abdecken.
Das neueste Modul misst Strom, Spannung und Impedanz und basiert auf einem hochintegrierten ASIC-Baustein. Für die Echtzeitübertragung auch in rauer Umgebung stehen Module mit Drahtschnittstellen für I2C, USB und das neue Single-Pair-Ethernet (SPE) zur Verfügung. Die Module können nach Bedarf zusammengesteckt werden und konfigurieren sich selbstständig über Plug and Play (Bild3).
Der zugehörige dritte Baustein für die Softwaremodule besteht aus der Embedded-Software mit einer Konfigurierbarkeit des Sensor-Front-Ends über die Draht- oder die BLE-Schnittstelle. Mit der »SN-App« können Multi-Sensorwerte sowie Alarmierungen per Smartphone oder Tablet direkt an den Bediener übermittelt werden. Für die lokale Bedienung und Datenanzeige dient die SN-Host-Software, die auf dem PC läuft. Die Embedded-Software des SensorNodes verfügt über eine leistungsstarke, programmierbare Multisensor-Datenvorverarbeitung sowie zuschaltbare spezielle Daten-Filter. Mit diesen innovativen Funktionen lasen sich die Datenmengen im Netz und auf den Servern erheblich reduzieren. Das bietet auch eine sehr gute Basis für multisensorische Anwendungen für Predictive Maintenance.
»KI on the Edge«-Framework
Mit dem vierten Baukastenmodul, »AIfES«, können Funktionen für die künstliche Intelligenz und das Machine-Learning programmiert werden, die lokal auf dem 32-bit-SensorNode-Mikrocontroller laufen. Die Basis ist ein Feedforward Neural Network (FNN), das in nahezu allen Parametern konfigurierbar ist und auch tiefe Netzstrukturen ermöglicht. Das neuronale Netz wird nur mit einer Hauptfunktion konfiguriert und berechnet. Regressions- und Klassifizierungsaufgaben sind möglich. Der Netzaufbau kann an die aktuelle technische Aufgabe angepasst werden. AIfES steht für »Artificial Intelligence for Embedded Systems« und ist ein KI-Framework vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Es wurde im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts KiNo gemeinsam vom IMS und GED auf den Mikrocontroller des SensorNode portiert (Bild 4).
Die Partnerschaft zwischen accensors und GED ermöglicht es Entwicklern jetzt, hochpräzise Sensoren und innovative Mess-, Auswerte- und Datentransferelektronik schnell und kostengünstig zu konfigurieren. GED bietet Unterstützung bei der Anpassung des SensorNodes an die kundenspezifischen Anforderungen. Dieses Baukastensystem eröffnet eine aufregende Zukunft für die Sensorimplementierung, in der Kreativität und Technologie miteinander verschmelzen. Die Idee der Spielzeug-Baukästen ist nun mit der Technologie verbunden, um eine Welt mit intelligenteren, sensorgestützten Produkten in kürzester Zeit zu realisieren.
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