همه چیز درباره سنسور هوشمند؛ ابزاری ضروری برای آینده‌ی مدرن

یک سنسور هوشمند را می‌توان در وسایل و گجت‌های الکترونیکی مختلفی مشاهده کرد. با این حال، سوال اینجاست آیا ما واقعا به سنسورهای هوشمند احتیاج داریم؟ آیا شرایط زندگی امروزه ایجاب می‌کند ما حتما از سنسورهای هوشمند برای کنترل برخی از وسایل الکترونیکی استفاده کنیم؟ در این مقاله قصد داریم ضمن پاسخ به این دسته از سوال‌ها، سنسورهای کاملا هوشمند در انواع و اقسام مختلف را معرفی کنیم.

• سنسور حرکتی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

کاربرد سنسور هوشمند

برای داشتن یک خانه هوشمند، نیاز است تا وسایل و گجت‌های الکترونیکی به سنسورهای هوشمند مجهز شوند. برخی از سنسورهای هوشمند به شما کمک می‌کنند تا از وقوع اتفاقات ناخواسته مثل آتش‌سوزی در امان باشید. با این حال، قبلا از این که توضیح دهیم سنسورهای هوشمند چه کاربردی دارند، اجازه دهید ابتدا به طور دقیق به این موضوع بپردازیم که سنسور هوشمند به چه معناست.

یک سنسور هوشمند، دستگاهی است که از حداقل یک مبدل برای دریافت و جمع‌آوری اطلاعات از محیط فیزیکی برخوردار است تا بر اساس این اطلاعات، عملکردهای از پیش برنامه‌ریزی شده‌ای را اجرا کند. یک سنسور هوشمند می‌تواند به شبکه‌ی جهانی اینترنت هم متصل شود.

از ویژگی‌های یک سنسور هوشمند استاندارد می‌توان به خود شناسی، داده‌های سنسور دیجیتال، خود تنظیمی هوشمند، ظرفیت سنجش چندگانه و همچنین وجود قابلیت برای پیکربندی از راه دور اشاره کرد.

سنسور هوشمند چگونه کار می‌کند؟

سنسورهای هوشمند با دریافت اطلاعات از محیط فیزیکی و تغییر پارامترهای فیزیکی نظیر سرعت، دما و فشار، سیگنال‌های الکتریکی قابل محاسبه‌ای را ایجاد می‌کنند. این سنسورها همچنین شامل یک پردازنده‌ی حرکتی دیجیتال یا به اختصار (DMP) هستند. در واقع می‌توان DMP را یک نوع میکرو پردازنده نامید که اجازه می‌دهد تا سنسور، پردازش‌های مربوطه روی بورد خود را به طور دقیق انجام دهد. سنسورهای هوشمند دارای چهار عملکرد اصلی اندازه‌گیری، پیکربندی، تاییدیه و ارتباط هستند.

«اندازه‌گیری» در واقع همان شناسایی سیگنال‌های فیزیکی و تغییر آنها به سیگنال‌های الکتریکی محسوب می‌شود. بنابراین، می‌توان اندازه‌گیری را به مولفه‌هایی مثل دما، ترافیک و کاربردهای صنعتی نسبت داد. «پیکربندی»، یک قابلیت حائز اهمیت به شمار می‌رود که به سنسور هوشمند کمک می‌کند تا موقعیت‌ها را شناسایی کند. از طرفی دیگر مولفه «تاییدیه»، کاربردهای متفاوتی دارد. این المان بیشتر می‌تواند حکم یک ناظر را در انجام فرایندها داشته باشد تا مدارها و فرمان‌ها به درستی اجرا شوند. در نهایت امر، ویژگی «ارتباطی» به سنسور اجازه می‌دهد با میکرو کنترلر/ ریز پردازنده‌ی اصلی وارد مکالمه شود.

دیاگرام سنسور هوشمند

در یک دیاگرام می‌توان کل مفهوم یک حسگر هوشمند را توضیح داد. همان‌طور که در نمودار شکل زیر مشاهده می‌کنید، واحدهای مختلفی برای هر بلوک می‌توان تعریف کرد که هر کدام، وظیفه‌ی خاص خود را باید انجام دهند.

واحد حسگر

این واحد تغییرات در پارامترهای فیزیکی را شناسایی کرده و به اندازه‌ی این مقادیر، سیگنال‌های الکتریکی را تولید می‌کند.

واحد تهویه

واحد تهویه‌، سیگنال الکتریکی مربوطه را با سطحِ عملیات‌های مرحله‌ی بعد به گونه‌ای تطبیق می‌دهد تا اطلاعاتی در این میان از بین نرود.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

مبدل آنالوگ به دیجیتال یا به اختصار ADC سیگنال مربوطه را از قالب آنالوگ به دیجیتال تبدیل کرده و در ادامه آن را به میکرو پردازنده ارسال می‌کند.

رابط کاربری موضعی

رابط کاربری محلی یا موضعی که به اختصار به LUI معروف است، دستگاه خاصی محسوب می‌شود که باید به پنل سنسور هوشمند اتصال پیدا کند. این جزء به کاربر کمک می‌کند تا پروسه‌های اجرایی را کنترل و همچنین تجهیزات سیستم را رصد کند.

الگوریتم برنامه

تا به اینجا متوجه شده‌ایم که سیگنال‌های مشخصی توسط مولفه‌های فیزیکی در داخل سنسورهای هوشمند به دست می‌آید. این دسته از پیام‌ها باید به نحوی در داخل سنسور هوشمند مورد پردازش قرار گرفته تا سیگنال‌های خروجی به دست آید. این پروسه‌ی مهم توسط المان‌های زیر انجام می‌شود:

حافظه

همان‌طور که از اسم این بخش مشخص است، حافظهْ محلی برای ذخیره‌ی اطلاعات و اطلاعات پردازش شده به شمار می‌رود.

واحد ارتباطی

سیگنال‌های خروجی از الگوریتم برنامه یا میکرو پردازنده از طریق واحد ارتباطی به ایستگاه اصلی منتقل می‌شوند. این واحد همچنین پیش‌نیازِ دستورهای مشخصی را از ایستگاه اصلی برای اجرای وظایف خاص دریافت می‌کند.

انواع سنسورهای هوشمند

انواع متفاوتی از سنسورهای هوشمند در سطح بازار موجود هستند. در ادامه چند مدل رایج را به طور خلاصه معرفی می‌کنیم.

سنسورهای سطح (Level Sensors)

سنسور طرح یک مدل دستگاه هوشمندی است که برای رصد و کنترل اندازه‌ی سطح مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر زمان که سطح مایع حس شود، این حسگر اطلاعات مربوطه را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

سنسورهای سطح به دو دسته‌ی نقطه‌ای و پیوسته طبقه‌بندی می‌شوند. سنسور سطح نقطه‌ای برای تعیین این موضوع که آیا مایع به نقطه‌ی دقیقی در ظرف رسیده مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ در حالی که سنسورهای نوع پیوسته به منظور ارائه‌ی اندازه‌گیری‌های دقیق برای سطوح مایع استفاده می‌شود. این سنسورها به طور عمده در صنایع مختلف نظیر ساخت اتومبیل و همچنین تولید تجهیزات خانگی به کار می‌آیند.

سنسورهای دمایی (Temperature Sensors)

سنسورهای دمایی همان‌طور که از اسمش هم پیداست، برای اندازه‌گیری دماها نظیر دمای مایع، هوا یا حتی دمای یک ماده‌ی جامد به کار می‌روند. این سنسورها در انواع مختلفی موجود هستند. این تنوع بر اساس متریال‌های به کار رفته در هر حسگر به وجود آمده است. از سنسورهای دمایی برای ساخت دستگاه‌های پزشکی، کامپیوترها، اتومبیل‌ها، وسایل آشپزی و سایر موارد استفاده می‌شود.

سنسورهای فشار (Pressure Sensors)

حسگر فشار یک مدل مبدل است که می‌تواند فشار مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند. این مدل حسگر هم شبیه به سایر سنسورها، انواع و اقسام مختلفی دارد. این تنوع بر اساس ظرفیت، اندازه، فناوری حسگر، متد اندازه‌گیری و پیشنیازهای سیگنال‌های خروجی تعریف می‌شود. این سنسورها نقش کلیدی در کنترل خط تولید داشته و در صورت نشت مواد مختلف در این حیطه، زنگ هشدار را به صدا در می‌آورد تا بتوان خط تولید را مرمت کرده یا حداقل تا پیدا کردن مشکل به وجود آمده، خط تولید را متوقف کرد.

سنسورهای مادون قرمز (Infrared Sensors)

سنسور مادون قرمز یک مدل دستگاه الکترونیکی به شمار می‌رود که با انتشار یک نور می‌تواند برخی از اشیای محیط را شناسایی کند. همچنین از همین فناوری برای اندازه‌گیری گرمای اشیا یا شناسایی تحرک استفاده می‌شود. تمام اشیا به طور کلی از خود حرارت آزاد می‌کنند که در طیف امواج نورهای مادون قرمز قابل رویت خواهد بود. این طیف توسط سنسورهای مادون قرمز به راحتی قابل شناسایی است.

سنسورهای مادون قرمز شامل یک فرستنده نظیر یک LED مادون قرمز و یک گیرنده به اسم فوتودیود مادون قرمز هستند. برای انتقال امواج مادون قرمز، سه نوع مدیا یا واسط نظیر فیبرهای خلا، اتمسفر و نوری استفاده می‌شود. این حسگرها در ساخت دستگاه‌های دید در شب، ترمومترهای تابشی، رصد و تصویربرداری‌های مادون قرمز و … کاربرد دارند.

سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors)

یک حسگر هوشمند مثل سنسورهای مجاروتی برای آگاه شدن از نزدیکی اشیا در محیط اطراف بدون برقراری ارتباط مستقیم با آنها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سنسورها اغلب در سیستم‌های جلوگیری از برخورد و هشدارهای مربوط به برخورد اشیا کاربرد دارند. این حسگرها از نور، صوت، تابش امواج مادون قرمز و حتی از میدان‌های الکترومغناطیسی برای مطلع شدن از موقعیت اشیا بهره‌برداری می‌کنند. سنسورهای مجاورتی امروزه در صنایع رباتی به شدت پرکاربرد هستند. همچنین بدنه‌ی پشت اتوموبیل‌های با کیفیت را به سنسورهای مجاورتی مجهز می‌کنند تا راننده‌ها پروسه‌ی پارک ماشین را راحت‌تر انجام دهند.

سنسورهای تشخیص کیفیت هوا (Air Quality Detection Sensors)

حسگرهای تشخیص کیفیت هوا دستگاه‌های الکترونیکی هستند که آلودگی هوا را رصد و شناسایی می‌کنند. بنابراین، از این سنسورها می‌توان برای سنجش کیفیت هوا در محیط‌های سر بسته و حتی سر باز استفاده کرد. حسگرهای کیفیت هوا قادر هستند غلظت گاز کربن دی اکسید (CO2) و همچنین VOC (ترکیبات آلی فرار) را اندازه‌گیری کنند که دارای متان و آمونیاک به عنوان گاز هستند.

سنسورهای حرکتی (Motion Sensors)

سنسورهای حرکتی دستگاه‌های الکترونیکی به شمار می‌روند که برای شناسایی تحرک در داخل یک محیط یا حتی محوطه‌ی بیرون از منزل استفاده می‌شوند. سنسورهای حرکتی معمولا مجهز به زنگ هشدار هستند. برای مثال، این حسگر می‌تواند به محض شناسایی تحرک شما در منزل، چراغ‌های اتاق را روشن کند.

در سناریوی دیگر، اگر یک فرد سارق وارد منزل شود، به سرعت یک پیام هشدار به اولین مرکز پلیس در نزدیکی منزل ارسال می‌شود. این سنسورها برای کاربردهای امنیتی در منازل و اداره‌ها استفاده می‌شود. امروزه از سنسورهای حرکتی در ساخت کنسول‌های خانگی، سیستم‌های واقعیت مجازی، گوشی‌های هوشمند و سایر گجت‌های هوشمند بهره‌برداری می‌شود.

سنسورهای گیاهی هوشمند (Smart Plant Sensors)

سنسور گیاهی در واقع یک مدل حسگر باغ‌داری پیشرفته به شمار می‌رود که اطلاعات مشخصی را از بخش‌های مختلف گیاهان موجود در محیط، برای کاربر گردآوری می‌کند. این اطلاعات به باغبان‌ها کمک می‌کند تا مواد مورد نیاز برای تغذیه‌ی گیاهان را سریع‌تر از موعد مقرر مهیا کند.

نحوه کار با سنسورهای هوشمند باغبانی به شدت آسان است. تنها کاری که باغبان باید انجام دهد، قرار دادن سنسور در داخل خاک در مجاورت گیاهان است. بعد از انجام این کار، حسگر مربوطه میزان رطوبت، شدت نور و حتی دما را به طور خودکار اندازه‌گیری می‌کند. حتی در سنسورهای باغبانی پیشرفته یک مدل سیستم پیام‌رسانی به موبایل هم وجود دارد تا کاربر از راه دور هم بتواند مولفه‌های مختلف را بررسی کند.

سنسورهای هوشمند آب و هوا (Smart Climate Sensors)

سنسورهای هوشمند آب و هوا برای جمع‌آوری اطلاعات اقلیمی نظیر فشار بارومتر، دما و رطوبت کاربرد دارند. این سنسورها برای ارزیابی آب و هوای آینده‌ی نزدیک بسیار مفید هستند. این نوع حسگرها به شما کمک می‌کنند تا برای روزهای آینده‌ی خود به درستی برنامه‌ریزی کنید.

این نوع سنسورهای هوشمند هم معمولا به گوشی هوشمند متصل شده و می‌توان به طور مداوم تغییرات آب و هوایی را رصد کرد. می‌توان سنسورهای هوشمند اقلیمی را یک نوع ابزار الزامی برای باغبانی و کشاورزی قلمداد کرد.

مزایا و معایب بین حسگرهای هوشمند و معمولی

مزیت‌ و فوایدی که سنسورهای هوشمند دارند به شرح زیر است:

• اندازه کوچکی دارند.
• استفاده از سنسورهای بسیار ساده و آسان است.
• سطح کارایی این مدل حسگرها بسیار بالاست.
• سرعت ارتباط به دلیل تبدیل مستقیم با پردازنده بالاتر محسوب می‌شود.
• قابلیت‌های خود تنظیمی در این نوع حسگرها به طور معمول وجود دارد.
• این حسگرها می‌توانند ایرادات مختلف را نظیر آلودگی داخلی متوجه شوند.
• این سنسورها، فرایندهای تولیدی که به تغییر احتیاج دارند را به راحتی بهینه‌سازی می‌کنند.
• این ابزارها می‌توانند اطلاعات سیستمی بسیار زیادی را ذخیره‌ کنند.

معایب سنسورهای هوشمند به شرح زیر است:

• سنسورهای هوشمند مادامی که سالم هستند قابل اطمینان به نظر می‌رسند. با تخریب برخی از اجزای سنسورها و همچنین به سرقت رفتن سنسورها می‌تواند تبعات بدی برای صاحب سنسورها به دنبال داشته باشد.
• حسگرهای هوشمند برای کار حتما به محرک نیاز دارند. اگر محرکی در کار نباشد، نتیجه‌ای هم در کار نخواهد بود.
• تنظیم یا کالیبراسیون دستگاه حتما باید توسط یک پردازنده‌ی خارجی انجام شود.
• به دلیل پیچیده بودن سنسورها و کمیاب بودن تجهیزات به کار رفته در سنسورهای پیشرفته، هزینه‌ی خرید سنسورهای هوشمند برای همه افراد به صرفه نیست.

آینده در دستان شما

خرید دستگاه‌هایی که مجهز به سنسورهای مختلف هوشمند هستند، می‌تواند تجربه‌ی فوق العاده لذتبخشی را برای شما به دنبال داشته باشد. با این حال، هزینه‌ی سنسورها بر اساس نوع کیفیت و برند متغیر است. در حال حاضر، رایج‌ترین و شناخته‌شده‌ترین حسگرهای هوشمندی که در جامعه موجود است را می‌توان سنسورهای حرکتی و مجاورتی تلقی کرد. سنسورهای حرکتی همان‌طور که در این مطلب توضیح داده شده، در انواع و اقسام مختلف به فروش می‌رسند.

با تمام این تفاسیر، در این مطلب سعی شده ابتدا مفهوم سنسورهای هوشمند به زبان ساده توضیح داده شده و سپس انواع و اقسام سنسورها به طور خلاصه معرفی شوند. دیر یا زود در آینده با دستگاه‌ و گجت‌های الکترونیکی پیشرفته‌تری روبه‌رو می‌شویم که به این نوع سنسورها تجهیز شده‌اند. در یک کلام، آینده‌ی مدرن از آن چیزی که تصور می‌کنید زودتر اتفاق خواهد افتاد!

• اگر سنسور مجاورت گوشی اندرویدی شما کار نکرد باید چه کارهایی انجام دهید؟