Intelligente Sensoren von Sensorenherstellern

Intelligente Sensoren sammeln physikalische, biologische oder chemische Daten in Echtzeit

9 Min
02. Mai 2024
Produktgruppe: intelligente Sensoren

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Sensorenhersteller und Sensorenlieferanten entwickeln mit der Integration von künstlicher Intelligenz und dem Internet of Things (IoT) immer intelligentere Sensoren. Das Potenzial intelligenter Sensoren ist in verschiedenen Anwendungsbereichen enorm. Von der Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung in der Industrie 4.0 über die Umweltüberwachung in der Precision Agriculture bis hin zu Smart-City- und Smart-Home-Anwendungen – intelligente Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil der Digitalisierung in allen Branchen.

1. Status Quo

Was sind intelligente Sensoren?

Intelligente Sensoren, auch bekannt als intelligente Sensoren, sind autonome Geräte, die über die grundlegende Funktion der Erkennung und Messung physikalischer Phänomene wie Temperatur, Druck, Bewegung oder Licht hinausgehen. Traditionelle Sensoren werden durch die Integration des Internet of Things (IoT) und von Computertechnik in intelligente Sensoren umgewandelt.

Im Gegensatz zu traditionellen Sensoren integrieren die Sensorenhersteller zahlreiche Komponenten in intelligente Sensoren, die nicht nur Daten erfassen, sondern auch verarbeiten und drahtlos übertragen. Das bedeutet, dass Sensorchips physikalische Phänomene erfassen und sie durch die Integration von Halbleiter-Sensorschaltungen in elektronische Signale umwandeln.

Diese Daten werden dann für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Branchen genutzt. Die von Sensorchips erfassten Daten können beispielsweise zur Erstellung Digital Twins in industriellen Umgebungen verwendet werden. Weitere Beispiele für intelligente Sensoranwendungen werden im folgenden Abschnitt erläutert.

Im Bereich der Internet-of-Things-Sensoren spielen verschiedene Technologien eine zentrale Rolle, um die Vernetzung und Automatisierung von Systemen zu ermöglichen. RFID-Sensoren sind hierbei besonders wichtig, da sie eine effiziente und zuverlässige Methode zur Identifikation und Verfolgung von Objekten bieten. Mit RFID-Sensorik und RFID-Sensortranspondern ist es möglich, Daten drahtlos zu übertragen und zu empfangen.

NFC-Sensortransponder eignen sich dank ihrer Kurzstrecken-Kommunikation besonders für die sichere und schnelle Datenübertragung. Diese Technologie wird häufig in Bereichen wie dem kontaktlosen Bezahlen oder der Zugangskontrolle eingesetzt. Darüber hinaus kommen SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) zum Einsatz, die physikalische Parameter wie Temperatur und Druck messen können, ohne eine externe Stromversorgung zu benötigen.

In einem intelligenten Sensornetzwerk werden einzelne Sensoren als Sensor-Nodes hinzugefügt. Sensornetzwerke können entweder drahtgebunden, drahtlos oder eine Kombination aus beidem sein. Ein intelligentes Sensornetzwerk besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten: intelligente Sensor-Nodes, ein Sensor-Steuermodul (SCM), Base-Control-Modules (BCM), eingebettete Verarbeitung, ein Energiemanagement-Steuermodul, Multi-Sensor-Datenfusion (MSDF) und Anwendungssoftware. 5G wird zunehmend als Kommunikationstechnologie für intelligente Sensornetzwerke eingesetzt.

Welche Typen von intelligenten Sensoren gibt es?

Es gibt sieben Haupttypen von intelligenten Sensoren. Jeder dieser Sensortypen kann mit verschiedenen IoT-Technologien integriert werden, z. B. RFID, NFC, UWB, LPWAN und BLE.

Akustische Sensoren

Akustische Sensoren erkennen Schallwellen sowie akustische Vibrationen und Frequenzen in der Umgebung. Diese intelligenten Sensoren werden verwendet, um Standort, Intensität und Aktivität zu bestimmen.

Chemische Sensoren

Chemische Sensoren erkennen chemische Substanzen in der Umwelt und reagieren auf sie. Sie messen die Konzentration von chemischen und biologischen Substanzen sowie die Zusammensetzung von Flüssigkeiten.

Elektrische Sensoren

Elektrische Sensoren messen elektrische Werte wie Spannung, Strom und Leistung. Diese Sensoren werden verwendet, um Störungen oder Änderungen in magnetischen oder elektrischen Signalen auf der Grundlage von Umgebungsbedingungen zu erkennen.

Umweltsensoren

Umweltsensoren überwachen verschiedene Umweltparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Luftstrom, Luftfeuchtigkeit und Druck.

Bildsensoren

Bildsensoren erfassen Lichtwellen und wandeln sie in elektrische Signale um. Sie stellen eine optische Form dar, die für die sichtbare Zustandsüberwachung verwendet wird. Die bekanntesten Typen sind CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) und CCD-Sensoren (Charge Coupled Device).

Bewegungs- und Kraftsensoren

Bewegungssensoren erkennen Bewegungen und Kraftsensoren messen die ausgeübte Kraft oder den Druck. Näherungssensoren sind ein Beispiel für intelligente Bewegungssensoren. Intelligente Kraftsensoren werden üblicherweise zum Wiegen schwerer Gegenstände in industriellen Umgebungen verwendet.

Berührungssensoren

Berührungssensoren erkennen physische Berührungen oder Druck auf einer Oberfläche. Diese Sensoren werden häufig in der Robotik eingesetzt.

Woraus bestehen intelligente Sensoren?

Ein intelligenter Sensor besteht aus fünf Hauptkomponenten: Eine Mikroprozessoreinheit (MPU), Energiegewinnungsfunktionen oder eine Batterie, ein Transceiver, eine Speichereinheit und ein Kommunikationsmodul.

Alle Funktionen des intelligenten Sensors werden von einem Mikroprozessor gesteuert, der zwei Funktionen erfüllt: Signalaufbereitung und Selbstdiagnose. MPUs sollten so konzipiert sein, dass sie mit geringem Stromverbrauch arbeiten, um eine lange Lebensdauer zu ermöglichen und häufige Batteriewechsel zu vermeiden.

Intelligente Sensoren können entweder batteriebetrieben oder energieautark sein. Selbstversorgte intelligente Sensoren beziehen die für ihren autonomen Betrieb benötigte Energie aus der Umgebung oder fangen sie auf. Dieser Prozess wird als Energy Harvesting bezeichnet. Energiequellen sind zum Beispiel Licht, Vibration oder Wärme.

Der Transceiver ist die Komponente, die mit der Umgebung interagiert und physikalische, biologische oder chemische Daten sammelt. Die Speichereinheit speichert oder verarbeitet die erfassten Daten mithilfe von Algorithmen.

Das Kommunikationsmodul bzw. die Schnittstelle ermöglicht die Verbindung zwischen intelligenten Sensoren und dem Internet oder einer privaten Cloud-Computing-Umgebung. Dadurch können die intelligenten Sensoren mit externen Geräten kommunizieren. Die Kommunikation kann entweder drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Kommunikationsprotokolle regeln die Kommunikation mit intelligenten Sensoren. Zigbee, LoRaWAN, Bluetooth LE und Wi-Fi sind Beispiele für Kommunikationsprotokolle, die üblicherweise in intelligenten Sensoren verwendet werden.

Wireless-IoT-Technologien

  • RFID

    Ein Radio Frequency Identification (RFID)-Sensor verwendet Funkwellen, um Gegenstände, Tiere oder Personen zu verfolgen.

  • NFC

    Near-Field Communication (NFC)-Sensoren ermöglichen die Kommunikation über kurze Entfernungen zwischen Geräten und damit den kontaktlosen Datenaustausch und Zahlungen.

  • UWB

    Ultra-Wide-Band (UWB)- Sensoren ermöglichen eine präzise Standortbestimmung und eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über kurze Entfernungen mit Hilfe von Ultrabreitband-Funkfrequenzen.

  • BLE

    Bluetooth Low Energy (BLE)-Sensoren bieten eine effiziente, stromsparende drahtlose Kommunikation für den Datenaustausch und die Konnektivität über kurze Entfernungen.

  • LPWAN

    Low Power Wide Area Network (LPWAN)-Sensoren unterstützen eine Kommunikation mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch, was ideal für IoT-Anwendungen ist, die eine lange Akkulaufzeit und eine große Reichweite erfordern.

Sensorbasierte Produkte

2. In der Praxis

Anwendungsbereiche für intelligente Sensoren

Intelligente akustische Sensoren können in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Im Gesundheitswesen werden sie typischerweise zur Patientenüberwachung eingesetzt. So können z. B. Sprache, Schlafstörungen, Husten oder Atmung überwacht werden. In der Industrie werden intelligente akustische Sensoren zur Condition Monitoring eingesetzt und ermöglichen auch eine automatisierte Qualitätskontrolle. Mit diesen Sensoren lassen sich beispielsweise Leckagen an pneumatischen Aktoren erkennen.

Im Sicherheitsbereich werden intelligente akustische Sensoren in Kombination mit Mikrofonarrays zur Lärmreduzierung eingesetzt. Ziel ist es, bestimmte Geräusche zu separieren, um Schallquellen zu lokalisieren und zu überwachen. Mögliche Anwendungen sind das Aufspüren und Lokalisieren unbefugter Drohnen sowie die Verhinderung von Vandalismus und Einbrüchen durch die Erkennung von Spraydosen oder Glasbruch.

Im Rahmen der Digitalisierung in der Automobilindustrie ermöglichen intelligente akustische Sensoren das „Hören“ des Autos. Im Projekt „The Hearing Car“ des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie (IDMT) werden intelligente Akustiksensoren und KI-Algorithmen eingesetzt, um Geräusche wie Sirenen zu erkennen und zu steuern.

Chemische Sensoren werden häufig für die Umweltüberwachung eingesetzt. Die Luft- und Wasserverschmutzung kann durch die Erkennung gefährlicher Stoffe überwacht werden. Im Rahmen der Digitalisierung in der Industrie werden intelligente chemische Sensoren eingesetzt, um Leckagen oder Verschüttungen durch die Überwachung chemischer Reaktionen zu erkennen. Die Verwendung intelligenter chemischer Sensoren zur Analyse biologischer Proben trägt zur Digitalisierung im Gesundheitswesen bei.

Im Lebensmitteleinzelhandel werden diese Sensoren eingesetzt, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Allergene, Verunreinigungen und Verderb können in Lebensmitteln nachgewiesen werden. Zu den Sicherheitsanwendungen gehört die Identifizierung von Sprengstoffen oder chemischen Kampfstoffen.

Elektrische Sensoren werden für die Stromüberwachung in Smart Homes eingesetzt, um die Stabilität und Effizienz von Stromnetzen zu gewährleisten, und werden häufig in der Unterhaltungselektronik verwendet, um die Batterieleistung und den Energieverbrauch zu verwalten.

Umweltsensoren werden häufig im Rahmen der Digitalisierung in der Landwirtschaft und als Teil einer Smart City eingesetzt. In der Landwirtschaft messen intelligente Feuchtigkeitssensoren die Bodenfeuchtigkeit, um beispielsweise die Bewässerung zu optimieren. In Smart Cities werden Umweltsensoren zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt, indem sie den Staubgehalt in Außenbereichen erfassen.

Intelligente Gassensoren werden auch zur Überwachung der Luftqualität in Einrichtungen und intelligenten Häusern eingesetzt. Ein weiteres Beispiel sind Feuchtigkeitssensoren, die zur Messung der Luftfeuchtigkeit in Industrieanlagen und Gewächshäusern eingesetzt werden. Sie können sogar als Wetterstationen eingesetzt werden, um die Wetterbedingungen vorherzusagen.

Auch die Temperaturüberwachung ist ein wichtiger Anwendungsbereich für intelligente Umweltsensoren. Diese Sensoren werden in industriellen Umgebungen zur Überwachung der Temperatur von Maschinen eingesetzt. Im Smart Home nutzen intelligente Thermostate diese Sensoren zur Messung und Überwachung der Innentemperatur.

Intelligente Drucksensoren können zur Navigation in Innenräumen, zur Stabilisierung der Flughöhe von Drohnen und zur Optimierung der Kalorienzählfunktion in Wearables eingesetzt werden. Sie messen den atmosphärischen Druck oder den Druck von Flüssigkeiten und werden in Wetterstationen, Automobilsystemen und in der industriellen Automatisierung eingesetzt.

CMOS-Sensoren werden aufgrund ihrer Effizienz und niedrigeren Kosten häufig in Digitalkameras und Smartphones eingesetzt. CCD-Sensoren sind in High-End-Kameras und wissenschaftlichen Bildgebungsgeräten zu finden und bieten eine bessere Bildqualität.

Intelligente Bildsensoren werden als Teil von Bildverarbeitungssystemen eingesetzt, die häufig mit Computern mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) verbunden sind. Das Ergebnis: Smart Machine Vision. Kameras mit intelligenten Bildsensoren werden für die Remote Monitoring, die Präzisionslandwirtschaft und die Verkehrsüberwachung eingesetzt.

Intelligente Bewegungssensoren werden häufig in sicherheitsrelevanten Anwendungen zur Zugangskontrolle eingesetzt. Sie werden in intelligenten Häusern oder in Einrichtungen verwendet, um Bewegungen zu erkennen und einen unbefugten Zugang zu verhindern oder zu melden. Diese Sensoren werden auch in intelligenten Gebäuden eingesetzt, um die Belegung von Räumen zu erkennen. Auf diese Weise kann die Beleuchtung in Räumen, in denen keine Bewegung erkannt wird, automatisch ausgeschaltet werden. Dadurch wird z. B. die Nachhaltigkeit von Unternehmen gefördert.

Näherungssensoren erkennen die Anwesenheit anderer Objekte, um Kollisionen zu vermeiden. Diese Sensoren können in Einrichtungen wie Lagerhäusern eingesetzt werden, um Zusammenstöße mit Gabelstaplern zu verhindern, oder bei Veranstaltungen, bei denen eine soziale Distanzierung erzwungen werden soll.

Intelligente Kraftsensoren werden auch in Gepäckwaagen auf Flughäfen oder in der Gesundheitsbranche eingesetzt, wo sie zur Flüssigkeitsüberwachung, in MRT-Geräten und anderen medizinischen Geräten verwendet werden. Intelligente Kraftsensoren werden auch in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Dehnungsmessstreifen-Sensoren wandeln Kraft, Spannung, Gewicht und Druck in elektrischen Widerstand um. Diese Sensoren werden zur Überwachung von Industrieanlagen und in wissenschaftlichen Experimenten eingesetzt.

Roboter mit Berührungssensoren können einfache Bewegungen ausführen und Berührungen erkennen. Diese Sensoren werden auch in Smartphones sowie in Industrie- und Automobilanwendungen eingesetzt. In Smart Homes werden Wasserhähne mit Berührungssensoren verwendet, um fließendes Wasser zu steuern.

Beispiel 1: Temperatursensoren im Einsatz bei Shufersal

Die israelische Supermarktkette Shufersal verwendet batterielose Bluetooth-IoT-Pixel von Wiliot, um die Temperatur von Gemüsekisten in der gesamten Lieferkette zu überwachen. Diese Pixel sind mit einem Temperatursensor ausgestattet. Ziel ist es, die Produktqualität und -frische zu erhalten. Die Temperaturdaten des Gemüses werden vom Erntefeld bis zum Endverbraucher über die IoT-Pixel übertragen. Bis Ende 2023 wurden eine Million Mehrwegtransporteinheiten (RTIs) mit IoT-Pixeln ausgestattet.

Teaser: Retail Chain Shufersal uses IoT Pixel from Wiliot for Temperature Control.
Temperaturkontrolle von Gemüse von der Ernte bis zum Endverbraucher

Beispiel 2: UWB-Radarsensoren für Lokalisierung und Überwachung

Eine UWB-Radarsensorlösung wurde für die Überwachung älterer Menschen in ihren Wohnungen eingesetzt. Die Lösung wurde im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts des UK Dementia Research Institute, des Imperial College London und der Universität Oslo (UiO) entwickelt und ermöglicht die Ortung und Verfolgung von Personen rund um die Uhr im Haushalt.

Die UWB-Sensorradare können Unterschiede in den Gangmustern der einzelnen Personen erfassen. Gangmerkmale sind der Schlüssel zur Beurteilung der Wirksamkeit von Medikamenten, zur Vorhersage der Wahrscheinlichkeit von Stürzen und zur Quantifizierung von Gebrechlichkeit. Ein Alarm wird ausgelöst, wenn eine Abweichung vom normalen Verhalten festgestellt wird.

„Ultrabreitband bietet eine einzigartige stromsparende Sensorik, die batteriebetriebene Geräte ermöglicht. Das UWB-Radar wird bereits in Gesundheitsgeräten wie Schlafmonitoren, Babyfonen und in der Altenpflege eingesetzt. Künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Edge Computing werden die Entwicklung von UWB-Sensoranwendungen verändern, indem sie neue Anwendungsfälle ermöglichen.“

Anja Van Bocxlaer

Managing Director, Think WIoT

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