Sensoren

Sensoren liefern die erforderlichen Daten für KI und maschinelles Lernen

16 Min
02. Mai 2024
Sensorik Technologie

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Die Erweiterung von RFID-Systemen zu RFID-Sensorsystemen durch die Integration von externen oder eingebauten Sensoren und die entsprechende sensorspezifische Signalverarbeitungselektronik transformiert herkömmliche RFID-Technologie in eine deutlich leistungsfähigere und vielseitigere Lösung. Diese Sensoren erfassen Umgebungsdaten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Bewegung, die dann drahtlos an RFID-Schreib- und Lesegeräte übertragen werden.

RFID-Sensorsysteme sind auch in der Lage Datenerfassung in Echtzeit zu realisieren. Diese Art von ‚smarten’ RFID-Tags trägt dazu bei, die Automatisierung und das Monitoring auf ein neues Level zu heben.

1. Status Quo

Was ist ein RFID-Sensorchip?

Ein Sensorchip ist ein spezieller Mikrochip, der bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften der Umgebung misst und die Daten in elektronische Signale umwandelt, die gelesen und verarbeitet werden können. RFID-Chips können die Sensorfunktionen, die für die Signalverarbeitung erforderliche Elektronik als auch die für die RFID-Übertragung erforderliche Elektronik auf einem einzigen Siliziumchip integrieren, wodurch sie besonders effizient, kompakt und kostengünstig sind. Möglich sind auch Aufbauten bestehend aus einem separaten Sensorchip und einem RFID-Chip mit digitaler oder analoger Schnittstelle zur Erfassung und nachfolgenden Übertragung von Sensordaten.

Welche Sensorchips gibt es?

Zu den bedeutendsten Sensorchips, neben RFID-Sensoren, gehören LPWAN-Sensoren, BLE-Sensoren, NFC-Sensoren und WLAN-Sensoren. Ihre Fähigkeit, präzise Daten zu erfassen und zu übertragen, trägt wesentlich zur Effizienzsteigerung und Verbesserung zahlreicher Prozesse bei. Die verschiedenen Sensortypen – LPWAN, BLE, NFC und WLAN – bieten jeweils spezifische Vorteile und kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum.

LPWAN-Sensoren

LPWAN-Sensoren, die für Low Power Wide Area Networks stehen, sind besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine große Reichweite und ein geringer Energieverbrauch erforderlich sind. Sie finden häufig Anwendung in der industriellen Überwachung und in der Landwirtschaft. Zum Beispiel können LPWAN-Sensoren in Smart Cities eingesetzt werden, um Umweltparameter wie Luftqualität, Temperatur und Feuchtigkeit zu überwachen. Durch die hohe Reichweite dieser Sensoren können Daten auch in abgelegenen Gebieten gesammelt werden, was besonders in der Präzisionslandwirtschaft von Vorteil ist. Hier können Bodenfeuchtigkeitssensoren helfen, den Wasserverbrauch zu optimieren und Ernteerträge zu steigern. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Logistik, wo LPWAN-Sensoren zur Überwachung von Lieferketten und zur Verfolgung von Gütern eingesetzt werden.

Bluetooth LE-Sensoren

Bluetooth LE-Sensoren, also Bluetooth Low Energy-Sensoren, zeichnen sich durch ihren geringen Energieverbrauch und ihre Fähigkeit zur direkten Kommunikation mit mobilen Geräten aus. Diese Sensoren werden häufig in der Gesundheitsüberwachung eingesetzt, beispielsweise in Fitness-Trackern und tragbaren Gesundheitsgeräten, um Vitalparameter wie Herzfrequenz und Schrittzahl zu messen. Auch in der Gebäudeautomatisierung finden BLE-Sensoren Anwendung, indem sie Licht-, Temperatur- und Bewegungssteuerungen ermöglichen. In Einzelhandelsumgebungen können BLE-Beacons verwendet werden, um Kunden mit personalisierten Angeboten und Informationen zu versorgen, sobald sie sich in der Nähe bestimmter Produkte befinden.

NFC-Sensoren

NFC-Sensoren bieten eine sehr kurze Reichweite, was sie ideal für sichere und kontaktlose Anwendungen macht. Diese Sensoren werden häufig in Zahlungssystemen genutzt, da sie es ermöglichen, Transaktionen schnell und sicher durchzuführen. Zudem werden NFC-Sensoren in Zutrittskontrollsystemen verwendet, bei denen Nutzer ihre NFC-fähigen Karten oder Smartphones verwenden, um Türen zu öffnen oder Zugang zu gesicherten Bereichen zu erhalten. In der Produktverfolgung können NFC-Tags auf Verpackungen angebracht werden, um die Echtheit von Produkten zu überprüfen und Fälschungen zu verhindern.

WLAN-Sensoren

WLAN-Sensoren nutzen bestehende Wi-Fi-Infrastrukturen, um Daten zu übertragen und bieten daher eine hohe Bandbreite und gute Integration in bestehende Netzwerke. Diese Sensoren finden in vielen smarten Heimgeräten Verwendung, von intelligenten Thermostaten bis hin zu Sicherheitskameras, die Videoaufnahmen in Echtzeit streamen können. In industriellen Anwendungen werden WLAN-Sensoren verwendet, um Maschinenzustände zu überwachen und präventive Wartungsmaßnahmen zu ermöglichen. Zudem spielen sie eine wichtige Rolle im Bereich des Internets der Dinge (IoT), indem sie die Verbindung und Kommunikation zwischen verschiedenen IoT-Geräten und -Plattformen ermöglichen.

Wie funktioniert ein Sensorchip?

Sensorchips messen physikalische Parameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Bewegung, Lichtintensität und viele andere. Es gibt auch Sensorchips, die chemische Zusammensetzungen erkennen können, beispielsweise Gaskonzentrationen in der Luft. Diese verwenden oft spezielle chemisch reaktive Materialien auf dem Chip, die auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren.

Die Integration von Sensoren ermöglicht es einem RFID-Sensorsystem, nicht nur die Identität eines Objekts zu erkennen und zu verfolgen, sondern auch seinen Zustand und Umgebungsdaten zu erfassen. Die von den Sensoren generierten Messwerte werden durch die RFID-Tags, die mit spezifischer Signalverarbeitungselektronik ausgestattet sind, gesammelt und verarbeitet. Diese Daten können dann von RFID-Lesegeräten abgerufen und zur weiteren Analyse und Verarbeitung an übergeordnete Systeme weitergeleitet werden.

Neben der Datenerfassung enthalten Sensorchips häufig auch Komponenten zur Verarbeitung dieser Daten, wie zum Beispiel Analog-Digital-Wandler, die die vom Sensor aufgenommenen analogen Signale in digitale Form umwandeln. Außerdem können Mikrocontroller integriert sein, die die Daten weiterverarbeiten oder vorfiltern, bevor sie an ein übergeordnetes System gesendet werden.

Kommunikation: Moderne Sensorchips können auch mit Funktionalitäten zur drahtlosen Kommunikation wie Bluetooth, NFC-Technologie oder sogar WiFi ausgestattet werden, was sie ideal für IoT-Anwendungen macht.

Wie wird ein Sensor in ein RFID Inlay eingebaut?

RFID-Inlays, die eine tragende Funktion für Lösungen mit RFID sind, bestehen typischerweise aus einem RFID-Chip, einer Antenne und einem Substrat als Trägermaterial. Die Integration eines Sensors in diese Anordnung erweitert die Fähigkeiten des RFID-Tags, da er damit zusätzlich zur Identifikation auch Umgebungsdaten erfassen kann. Man spricht nun von einem RFID-Sensor-Tag.

Welcher Sensor für die jeweilige Anwendung und die zu messenden Parameter am besten geeignet ist, muss vor der Herstellung entschieden werden. Der Sensor muss klein, energieeffizient und mit den RFID-Komponenten kompatibel sein.

Das Design des RFID-Inlays muss angepasst werden, um den zusätzlichen Sensor und eventuell zusätzliche Verkabelung oder Schaltungen aufzunehmen. Dies kann ein Redesign der Bauteil-Anordung, der Antenne oder gar des Chipsatzes erfordern, um Interferenzen zu vermeiden und eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Im Falle eines separaten Sensors wird der Sensor physisch in das Inlay integriert, entweder durch direkte Montage auf dem Substrat neben dem RFID-Chip oder durch Einbettung in das Substrat, wenn der Sensor sehr klein ist. Diese Integration muss präzise erfolgen, um Beschädigungen zu vermeiden und sicherzustellen, dass der Sensor korrekt mit dem RFID-Chip kommunizieren kann.

Die elektrische Verbindung zwischen Sensor, RFID-Chip und Antenne ist von entscheidender Bedeutung. In der Regel muss der Sensor mit dem Chip verbunden sein, um die Datenübertragung zu ermöglichen. Dies kann durch feine Leiterbahnen oder flexible Leiterplatten, die Teil des Inlays sind, erfolgen.

Nach der Integration des Sensors muss das modifizierte RFID-Inlay umfassend getestet werden, um sicherzustellen, dass sowohl die RFID-Funktionalitäten als auch die Sensordaten korrekt erfasst und übertragen werden. Dazu gehören Funktions- und Reichweitentests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.

Der fertige RFID-Tag mit dem Sensor muss möglicherweise speziell verpackt oder geschützt werden, um ihn vor Umwelteinflüssen zu schützen, die den Sensor oder die RFID-Komponenten beschädigen könnten. Dies ist besonders wichtig bei Sensoren, die empfindlich auf Feuchtigkeit, Druck oder chemische Einflüsse reagieren, bedingt aber teilweise auch einen Öffnung im Tag, um die Umgebungseinflüsse auf den Sensor einwirken zu lassen.

Welche Arten von Sensoren gibt es?

In RFID-Systemen spielt die Sensorik eine entscheidende Rolle, um die Funktionalität dieser Technologie zu erweitern und an spezifische Anwendungsanforderungen anzupassen. RFID-Sensoren sind eine Kombination aus RFID-Technologie und Sensoren, die es ermöglichen, nicht nur die Identifikation von Objekten durchzuführen, sondern auch Zustands- oder Umgebungsdaten zu erfassen. Hier sind einige Beispiele für Sensoren, die in RFID-Systemen integriert werden können.

  • Temperatursensoren (Temperaturfühler) werden häufig in RFID-Tags eingebaut, um die Temperatur von transportierten Waren zu überwachen, was besonders für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie wichtig ist, um die Einhaltung von Kühlketten sicherzustellen.
  • Feuchtigkeitssensoren bei der Digitalisierung der Landwirtschaft und der Digitalisierung der Baubranche nützlich, wo Feuchtigkeitsniveaus kritische Auswirkungen auf die Produktqualität oder Materialintegrität haben können.
  • Drucksensoren können in RFID-Tags integriert sein, um Druckänderungen zu messen. Das kommt bei der Digitalisierung der Automobilindustrie und bei der Überwachung verpackter Produkte zum Einsatz.
  • Vibrationssensoren finden Verwendung in der Überwachung von Maschinen und Fahrzeugen, um vorzeitigen Verschleiß oder potenzielle Defekte zu erkennen.
  • Lichtsensoren können in RFID-Systeme integriert werden, um festzustellen, ob ein Objekt einem Licht ausgesetzt wurde oder nicht, was in der Sicherheitsbranche oder bei der Überwachung der Exposition bestimmter Produkte gegenüber Licht von Bedeutung ist.
  • Chemische Sensoren können für spezialisierte Anwendungen, wie die Überwachung von Umweltbedingungen oder die Kontrolle von Chemikalien, können RFID-Tags mit Sensoren ausgestattet werden, die spezifische chemische Veränderungen erkennen.
  • Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigung in einer oder mehreren Achsen. Ein plötzlicher Anstieg der Beschleunigung, gefolgt von einem abrupten Stopp, kann darauf hindeuten, dass ein Objekt gefallen ist und einen Aufprall erlitten hat (Sturzerkennung).
  • Drehbewegungssensoren (Gyroskop) messen die Drehbewegung um die Achse eines Objekts. In Kombination mit Beschleunigungssensoren helfen sie bei der Erkennung komplexer Bewegungsmuster, einschließlich Stürzen.
  • Schallsensoren können Geräusch aufzeichnen und Abweichungen registrieren.
  • Nockenwellensensoren agieren zusammen mit dem Kurbelwellensensor. Sie messen und überwachen die exakte Position des Kurbeltriebs, damit das Motorsteuergerät im Verbrennungsmotor erkennt, wann sich der erste Zylinder im oberen Totpunkt befindet.
    Der obere Totpunkt ist der Punkt, an dem der Kolben in seinem Zylinder die höchste Position erreicht hat, bevor er wieder nach unten bewegt wird.

Funktechnologien mit Sensoren

  • Sensor-Devices mit Bluetooth Low Energy (BLE) eignen sich hervorragend für Wearables, Gesundheitsüberwachung und Smart Home-Anwendungen.
  • Radio Frequency Identification (RFID) kann mit Sensoren wie Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren ausgestattet werden, um die Überwachung von Umgebungsbedingungen zusammen mit der Objektidentifikation zu ermöglichen. Da die Komponenten meist batterielos sind, ist eine Messung der Umgebungsparameter nur im Moment des Energieeintrags durch den RFID-Reader möglich.
  • Sensorchips mit mioty finden Anwendung in der industriellen Automation und Smart City-Projekten.
  • Sensorchips verbunden mit Low Power Wide Area Network (LPWAN) sind Ideal für Anwendungen, die eine weite Kommunikationsreichweite und lange Batterielebensdauer erfordern, wie bei der Überwachung von Versorgungsleitungen oder landwirtschaftlichen Flächen.
  • Wireless Local Area Network (WLAN IoT)-fähige Sensorchips sind weit verbreitet in Smart Home-Systemen, medizinischen Geräten und Büroautomatisierungssystemen.

Produkte mit Sensorik

Zahlen & Fakten

Zunehmend wird eine Kombination aus fortschrittlichen Systemen und Geräten eingesetzt, um den unabhängigen Betrieb von Fahrzeugen und Maschinen zu ermöglichen. Dazu gehören zum Beispiel autonome Technologien und Sensoren. Ein weiteres Wachstum wird erwartet.

Laut der Business-Intelligence-Plattform „Statista“ hat das Transportwesen mit 47,29 Prozent im Jahr 2022 den größten Anteil am globalen Markt für autonome Technologien und Sensoren. Es folgen die Fertigungsindustrie mit 30,96 Prozent, die Sicherheitsindustrie mit 4,64 Prozent und der Einzelhandel mit 4,02 Prozent.

Auch der globale Markt für IoT-Sensoren wächst. Laut der Marktdatenplattform „World Metrics“ hat der Industriesektor mit über 24 Prozent im Jahr 2020 die höchste Anwendung von IoT-Sensoren. Im Jahr 2019 hatte das Segment der Drucksensoren innerhalb des IoT-Sensormarktes den größten Marktanteil. Im Jahr 2019 wurden weltweit über 21,5 Millionen IoT-Sensoren ausgeliefert.

2. In der Praxis

Kombination von Sensorik und IoT

In Kombination mit dem Internet of Things (IoT) hat die Sensorik verschiedene Branchen verändert, darunter den Einzelhandel, das Gesundheitswesen und Smart Cities.

Im Einzelhandel ermöglichen RFID- und NFC-Sensoren die Bestandsverfolgung in Echtzeit und die Temperaturüberwachung zur Gewährleistung der Qualitätskontrolle in der gesamten Lieferkette. Im Gesundheitswesen ermöglichen tragbare Sensoren und intelligente Implantate eine kontinuierliche Patientenüberwachung, und die IoT-fähige Geräteverfolgung sorgt für eine effiziente Anlagenverwaltung. Umweltsensoren sorgen für optimale Bedingungen in Krankenhäusern. Sensorik in Kombination mit künstlicher Intelligenz und Robotik kann auch für den automatischen Nachschub im Krankenhaus eingesetzt werden. In intelligenten Städten verwaltet die Sensortechnologie die Infrastruktur durch intelligente Netze und Wassersysteme und verbessert den Verkehrsfluss durch Verkehrssensoren und intelligente Parklösungen. Die öffentliche Sicherheit wird durch integrierte Überwachungssysteme und Sensoren für das Katastrophenmanagement optimiert, während die Umweltüberwachung mit Sensoren für Luft- und Lärmbelastung das städtische Leben verbessert.

Die Kombination von Sensoren mit IoT-Technologien durch Cloud-Plattformen, KI und Edge Computing ermöglicht eine nahtlose Datenintegration, prädiktive Analysen und Entscheidungsfindung in Echtzeit, wodurch effizientere, sicherere und reaktionsschnellere Systeme in diesen Branchen entstehen.

Sensorik im Einsatz bei Shufersal

Shufersal, eine israelische Supermarktkette, setzt von Wiliot entwickelte batterielose Bluetooth-IoT-Pixel auf Gemüsekisten ein, um die Logistikkette zu verwalten und die Temperatur von Gemüseprodukten zu überwachen. Die Temperaturdaten werden von den IoT-Pixeln vom Erntefeld bis zum Endverbraucher übertragen. Bis Ende 2023 sollen eine Million RTIs mit IoT-Pixeln ausgestattet sein. Das IoT-Pixel funktioniert ist mit einer Recheneinheit und einem Temperatursensor ausgestattet.

Sensorik in den Asklepios Kliniken

Sensorik, KI, Robotik und RFID werden in der Aufbereitungseinheit für Medizinprodukte (AEMP) der Asklepios Kliniken Nord zur Automatisierung der Sterilgutversorgung eingesetzt. Vorgereinigte Medizinprodukte werden in der RUMED auf ein Metalltablett mit RFID-Etikett gelegt. Dieses Tablett wird von einem RFID-fähigen Transportroboter abgeholt und zur Sterilisationseinheit gebracht. Sensoren werden von der KI verwendet, um die Art der medizinischen Geräte auf dem Tablett zu erkennen.

LoRaWAN-Sensoren in Lissabon

Eine neue, von Future Internet Technologies (FIT) und dem Lissabonner Institut für Ingenieurwesen (ISEL) entwickelte, sensorbasierte LoRaWAN-Lösung hat das alte 2G-System für die Verfolgung des Füllstands von Containern und das Abfallmanagement in der Stadt Lissabon abgelöst. IoTsens-Sensoren mit höheren Reichweiten wurden an drei Standorten in Lissabon – ISEL, Spacio Shopping und Belém – an unterirdischen Containern angebracht, um die Leistung von LoRa bei der Kommunikation über kurze (100 m), mittlere (1 km) und lange (5 km) Entfernungen zu bewerten.

Vorteile von Sensorchips

Die Integration von Sensor- und Verarbeitungsfunktionen auf einem Chip spart Platz und verbessert die Leistungsfähigkeit durch Verringerung der notwendigen externen Komponenten. Sensorchips sind oft für den Betrieb mit sehr niedrigem Energieverbrauch optimiert, was sie ideal für batteriebetriebene oder energieautarke Systeme macht. Darüber hinaus ist die Massenproduktion von Sensorchips mittels standardisierter Halbleitertechnologien relativ kostengünstig, selbst bei fortschrittlichen Spezifikationen. Durch die fortlaufende Miniaturisierung und die Verbesserung der Halbleitertechnologie werden Sensorchips immer leistungsfähiger und vielseitiger, was ihren Einsatz in einer immer breiteren Palette von Produkten und Anwendungen ermöglicht.

Vorteile durch den Einsatz von RFID-Sensorsystemen

In der Echtzeitüberwachung und -steuerung ermöglichen RFID-Sensorsysteme die Überwachung des physikalischen und chemischen Zustands von Objekten. Dies ist besonders entscheidend in Branchen wie der Pharmaindustrie und im Kontext der Digitalisierung im Gesundheitswesen, wo die Einhaltung von spezifischen Messparametern für die Produktqualität entscheidend ist.

In der Digitalisierung der Industrie und der industriellen Automatisierung verbessern Sensordaten automatisierte Entscheidungen auf der Grundlage präziser Daten. Dies kann die Effizienz von Produktions- und Lieferkettenprozessen erheblich steigern. Sensorsysteme erhöhen die Sicherheit und Zuverlässigkeit, indem sie Prozesse kontinuierlich überwachen. Mögliche Probleme werden somit frühzeitiger erkannt und präventive Maßnahmen wie Condition Monitoring und Predictive Maintenance können eingeleitet werden. Ausfallzeiten werden so minimiert. Die präzise Überwachung und Steuerung aller Betriebsabläufe führt auch zu Energieeinsparungen, da alle Ressourcen optimal genutzt werden. Dies ist ein Vorteil, der zu einer Steigerung der Nachhaltigkeit von Unternehmen führt.

Insgesamt ermöglichen RFID-Sensorsysteme eine tiefer gehende Datenerfassung und -nutzung, die weit über die herkömmliche Ortungs- und Identifikationsfunktion herkömmlicher RFID-Systeme hinausgeht.

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3. Panorama

Sensoren sind die Augen und Ohren

Die Bedeutung von Sensorik in der modernen Unternehmenslandschaft, insbesondere im Kontext vom Internet der Dinge (IoT) und Industrie 4.0, ist bedeutsam. Sensoren sind die Augen und Ohren intelligenter Systeme und spielen eine entscheidende Rolle, indem sie die notwendigen Daten liefern, die Unternehmen benötigen, um fortschrittliche KI-Algorithmen und maschinelles Lernen effektiv einzusetzen. Diese Technologien ermöglichen es, aus den gesammelten Daten wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, die zur Optimierung von Betriebsabläufen, zur Verbesserung der Produktqualität und zur Steigerung der Effizienz beitragen.

Durch die Integration dieser sensorischen Daten in Digital Twins können Unternehmen digitale Abbilder ihrer physischen Anlagen und Prozesse erstellen. Diese digitalen Zwillinge ermöglichen es, verschiedene Szenarien und Strategien in einer risikofreien virtuellen Umgebung zu testen, bevor sie in der realen Welt implementiert werden. Darüber hinaus unterstützt die nahtlose Integration von Sensorik und Robotik die Automatisierung komplexer und wiederholbarer Aufgaben, was nicht nur die Produktivität steigert, sondern auch dazu beiträgt, menschliche Fehler zu minimieren.

Die fortschreitende Digitalisierung von Unternehmen, die durch den Einsatz von Sensorik vorangetrieben wird, fördert zudem die Nachhaltigkeit von Unternehmen. Durch präzisere Überwachung und Steuerung von Ressourcen können Unternehmen ihren Energieverbrauch reduzieren und ihre Umweltauswirkungen minimieren. In einer Zeit, in der nachhaltige Praktiken immer mehr an Bedeutung gewinnen, bietet die effiziente Nutzung von Sensorik eine Schlüsseltechnologie, um ökologische Ziele zu erreichen und gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile zu sichern. So wird Sensorik zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Unternehmen, die in einem zunehmend vernetzten und digitalisierten Umfeld operieren möchten.

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