Senzory a senzorové sítě. Terminologie

DPS 2/2023 | Články
Autor: RNDr. Karel Jurák, Ph.D., Ing. Zuzana Nejezchlebová, CSc.

Článek je zaměřen na terminologii z oblasti senzorů v rámci internetu věcí (internet of things), nositelné elektroniky (wearable electronics) nebo pro samostatné aplikace.

Článek navazuje na předchozí terminologická témata: Internet věcí, E-textilie, Nositelná elektronika atp. Text vychází z dokumentů normalizačních komisí IEC/TC 124, IEC/TC 47, ISO/IEC JTC 1/SC 41 a dále z článků české a anglické wikipedie.

Senzor/čidlo (sensor) je často vstupním prvkem sestavy, která snímá fyzikální veličinu tak, aby ji bylo možné zpracovávat jako signál přenášející informaci o veličině, která má být měřena a případně řízena. Vlastní měření se provádí porovnáváním s dalším prvkem. Související data mohou pak být přenášena po síti.
Detektor (detector) je prvek sestavy, který rozpoznává přítomnost či nepřítomnost něčeho; jde tedy o senzor s binárním výstupem.
Akční člen/aktuátor/ovladač (actuator) je součástka, do které vstupuje energie elektrická nebo chemická a signály, které jsou konvertovány na lineární nebo rotační pohyb.

Další související termíny

Bezdrátová senzorová síť ( wireless sensor networks) – síť specializovaných senzorů rozmístěných v prostoru, které monitorují a zaznamenávají naměřené hodnoty z příslušného prostředí a předávají tyto hodnoty do centra sítě, viz obr. 3.
Elektrický akční člen (electric actuator) ‒ zařízení, které vyvolává specifikovaný pohyb, když je vybuzeno elektrickým signálem.
Elektrický senzor (electric sensor) ‒ zařízení, které při vybuzení fyzikálním jevem generuje elektrický signál charakterizující daný fyzikální jev.
Gyroskop (gyroscope) – mechanické zařízení se setrvačníkem sloužící k určení orientace v prostoru. MikroElektro- Mechanická (MEMS) varianta využívá např. deskové mikrokondenzátory, které reagují na boční výchylky.
Chytrá síť (smart grid) ‒ moderní energetická síť vybavená zařízením, které umožňuje obousměrnou digitální komunikaci mezi dodavatelem a spotřebitelem, chytrým měřicím systémem a systémy sledování a kontroly.
Měřič zrychlení (accelerometer) – převodník, který mění vstupní zrychlení na výstupní veličinu (obvykle elektrickou), která je úměrná vstupnímu zrychlení.

Obr. 1 Detektor pohybu v garáži [WikiComm]

Klasifikace souvisejících termínů

Senzory lze dělit podle:

snímané veličiny,
média sloužícího k přenosu signálu: elektrické, hydraulické,pneumatické,
fyzikálního principu převodu hodnoty měřené veličiny na hodnotu signálu,
druhu styku s prostředím: dotykové, distanční, bezdotykové,
stupně integrace,
potřeby napájení: pasivní/aktivní.

Snímané veličiny jsou např:

teplota (temperature),
zvuk/hluk (sound/noise),
úrovně znečištění (pollution levels),
vlhkost (humidity),
parametry větru (wind parameters),
chemické parametry potu (perspiration sensor),
parametry tělesné kondice (health-care trackers),
parametry zdravotního stavu člověka (v medicíně, armádě, kosmonautice).

Obr. 2 Senzory světla [WikiComm]

Senzory používané v sestavách nositelné elektroniky:

dotykové senzory (touch sensors),
senzory teploty (temperature sensors),
detektory pohybu (motion detectors),
senzory vitálního napětí (vital voltage sensors),
elektrokardiografické senzory, EKG (ECG sensors).

Bezdrátové senzorové sítě jsou využívány např. pro:

monitorování oblasti (area monitoring) proti ohrožení ropovodu atp.,
monitorování v rámci zdravotní péče (health care monitoring), např. pacienti s implantovanými senzory, resp. připevněnými k tělu (body area network), péče o stav a pohyb seniorů atp.,
monitorování výskytu (habitat monitoring) zadaného zoologického druhu atp.,
environmentální snímání (environmental sensing) znečištění vzduchu/vody, detekce lesního požáru atp.,
monitorování průmyslových objektů (industrial monitoring), např. rotujících částí velkých strojů, resp. nepřipoutaných zařízení,
detekce hrozeb (thread detection), např. pro pozemní nukleární zařízení, nukleární „dopisové bomby“.

Obr. 3 Příklad struktury bezdrátové senzorové sítě [WikiComm]

Příklady ovladačů:

elektrostatický ovladač (electrostatic actuator) – používá elektrostatickou sílu,
hřebenový budicí ovladač (comb drive actuator) – MEMS elektrostatický ovladač, který sestává ze sady rovnoběžných prstů s pevnou polohou, svázaných a prokládaných druhou sadou pohyblivých prstů,
mikroovladač (microactuator) – ovladač vytvořený technologií MEMS,
mikrozrcadlo (micromirror) – reflexní zrcadlo s mikrorozměry, které může být ovládáno pro řízení úhlu reflexe,
ovladač buzený světlem (light driven actuator) – ovladač, který používá světlo jako řídicí signál nebo jako zdroj energie,
piezoelektrický ovladač (piezoelectric actuator) – ovladač, který používá piezoelektrický materiál,
slitinový ovladač s tvarovou pamětí (shape memory alloy actuator) – ovladač, který používá slitinu s tvarovou pamětí.

Příklady detektorů:

detektor CO (carbon monoxide detector),
detektor kouře (smoke detector),
detektor kovu (metal detector),
detektor lesního požáru (forest fire detector),
detektor pohybu (motion detector), viz obr. 1,
detektor sesouvání půdy (landslide detector).

Související legislativa EU:

Prováděcí nařízení komise (EU) 104/2013, které se vztahuje na stopovou detekci výbušnin v kombinaci s ručním detektorem kovů (Explosive Trace Detection equipment in combination with Hand Held Metal Detection equipment).

Související normalizační komise:

IEC TC 124, Nositelná elektronická zařízení a technologie, připravuje soubory dokumentů, např: IEC 63203-X, Wearable electronic devices and technologies
- Část 101-1, Terminologie (vydáno jako ČSN EN IEC),
- Část 402-2, Počítání kroků (Step Counting),
- Část 402-3, Monitorování srdečního tepu (Heart Rate monitoring).
IEC TC 47, Polovodičové součástky (Semiconductor devices), připravuje pro tuto oblast soubory dokumentů, např: IEC 62047-X, Polovodičové součástky – Mikroelektromechanické součástky
- Část 1: Termíny a definice (vydáno jako ČSN EN),
- Část 19: Elektronické kompasy (Electronic compasses),
- Část 20: Gyroskopy (Gyroscopes).
ISO/IEC JTC 1/SC 41, Internet věcí a související technologie (Internet of things and related technologies, IoT), včetně senzorových sítí (sensor networks).

Studium související problematiky:

ČVUT v Praze, FEL, katedra měření (Departement of Measurements):
- – zaměření výzkumu na senzory, měřicí systémy, biomedicínská měření atp.,
- – Studentská konference o senzorech, systémech a měření (2021, online).
ZČU v Plzni, Fakulta aplikovaných věd: Nabízí předmět: Převodníky fyzikálních veličin – Senzory a akční členy pro průmyslovou automatizaci, diagnostiku a robotiku, jejich fyzikální principy, modely, vlastnosti a použití.

Literatura:

What is an actuator https://www.reac-group.com/en_en/facts/actuators/what-is-an-actuator/

Péče o seniory https://www.iotport.cz/iot-novinky/zdravi-a-pece/chytra-domaci-pece-o-seniory-pomoci-iot

M. Pašková, Inteligentní textilie, Bakalářská práce, ZČU, 2006

EUREKA – SENSIT, Senzorové systémy pro inteligentní textilie, Tesla Blatná, 2006

Detektory kovů https://www.lovecpokladu.cz/eshop/kategorie/nokta

SAGGIO, G., A novel array of flex sensors for a goniometric glove. Sensors and Actuators A:

Physical, 2014, 205: p. 119–125

HAYWARD J., PUGH, D., CHANSIN, G., Wearable sensors 2018–2028. IDTechEx 2017

[csWiki] csWikipedia: https://cs.wikipedia.org/

– Internet věcí

– Nositelná elektronika