22 czerwca 2019

Najważniejsze typy czujników używane w Internecie Rzeczy - IoT

IoT, to zdecydowanie najgorętsze hasło technologiczne ostatnich lat. Idea Internet of Things polega na gromadzeniu, udostępnianiu i analizowaniu danych oraz tworzeniu z nich wartości. Wszystko pięknie, ale nawet najbardziej wydumany system dzisiaj bez wnioskowania wiedzy z danych (podejmowania decyzji i wykonywania algorytmów w środowisku rzeczywistym) stanowi bezużyteczną stertę technologiczną.

Stąd też bardzo duże znaczenie mają czujniki i elementy wykonawcze w Internecie Przedmiotów (IoT), które umożliwiają mu pobieranie danych ze świata i działanie w ramach jego środowiska.




Znaczenie sensorów IoT i elementów wykonawczych w Internecie Rzeczy


Internet przedmiotów składa się z kilku warstw technologii, które umożliwiają zwykłym rzeczom udostępnianie danych, które gromadzą przez Internet, aby ostatecznie zapewnić inteligencję, autonomiczne działanie i wartość, które w dużej mierze zależą od jakości samych danych. Dlatego czujniki i urządzenia wykonawcze są nieodzowną częścią stosu technologicznego IoT i czynnikiem decydującym o rozwoju każdego systemu IoT.

Czujniki i elementy wykonawcze są ważne dla Internetu Rzeczy, ale czym one są?

Czujnik, zwany także przetwornikiem, to urządzenie, którego zadaniem jest wykrywanie zdarzeń lub zmian w jego bezpośrednim otoczeniu i przekształcanie tych zjawisk fizycznych (takich jak temperatura, światło, wilgotność powietrza, ruch, obecność substancji chemicznych i wiele innych) w impulsy elektryczne które następnie można w znaczący sposób interpretować. Z drugiej strony siłownik można postrzegać jako narzędzie działające odwrotnie niż czujnik. Interpretując impulsy elektryczne wysyłane z układu sterowania i przekształcając je w ruch mechaniczny, w rzeczywistości wprowadza zmiany w jego fizycznym otoczeniu za pomocą szeregu prostych czynności, w tym między innymi otwierania i zamykania zaworów, zmiany pozycji innych urządzeń lub kąt, aktywowanie ich lub emitowanie dźwięków lub światła. Mówiąc prościej, siłownik nazywany jest „napędem”.

Podczas gdy zwykłe czujniki elektryczne i siłowniki istnieją od dziesięcioleci i są wszechobecne we współczesnych zastosowaniach przemysłowych, pojawienie się Internetu przedmiotów otworzyło zupełnie nowe możliwości zastosowania czujników IoT nie tylko w sektorze przemysłowym, ale także w dziedzina użytku komercyjnego i domowego. Jako niezbędny czynnik IoT czujniki i urządzenia uruchamiające pomagają monitorować, kontrolować i usprawniać operacje w prawie każdym sektorze, od inteligentnych pojazdów po ochronę lasów deszczowych. Internet rzeczy zrewolucjonizował sposób ich stosowania i rozszerzył zakres ich zastosowania, dzięki czemu czujniki działają w potężnym, opartym na chmurze oprogramowaniu analitycznym do opracowywania inteligentnych rozwiązań dla maszyn, ludzi i środowiska.


Biorąc powyższe pod uwagę, nie ma wątpliwości, że aby utrzymać szybką ewolucję, której doświadcza, Internet Rzeczy potrzebuje coraz bardziej wydajnych (a najlepiej tanich) rozwiązań czujnikowych. Niezawodny system czujników i urządzeń wykonawczych stanowi podstawę każdego udanego inteligentnego wdrożenia, dlatego konieczne jest, aby zdawać sobie sprawę z rodzajów dostępnych rozwiązań czujników IoT. Przyjrzyjmy się najpopularniejszym typom czujników używanych w IoT.



Rodzaje czujników IoT


Czujniki mogą być albo samodzielnymi urządzeniami, albo wbudowane w zwykłe obiekty lub maszyny, aby uczynić je inteligentnymi, i można je podzielić na kategorie pod względem zjawiska fizycznego, które mają być mierzone. Poniższa lista zawiera przegląd niektórych typów czujników najczęściej stosowanych w IoT.


Czujniki temperatury

Ten najbardziej podstawowy typ czujnika znajduje zastosowanie w każdym rodzaju zastosowania Internetu Rzeczy, w którym niezbędne jest śledzenie warunków termicznych powietrza, środowiska pracy, maszyn lub innych obiektów. Czujniki temperatury są szczególnie przydatne w zakładach produkcyjnych, magazynach, systemach raportowania pogody i rolnictwie, gdzie temperatura gleby jest monitorowana, aby zapewnić zrównoważony i maksymalny wzrost.


 

Czujniki IoT wilgoci

Choć ich najbardziej oczywiste i powszechne zastosowanie znajduje się w stacjach meteorologicznych do raportowania i prognozowania pogody, dość zaskakujące jest to, że czujniki wilgotności i wilgotności są również szeroko stosowane w rolnictwie, monitorowaniu środowiska, łańcuchu dostaw żywności, HVAC i monitorowaniu zdrowia.


Lekkie czujniki IoT

W zależności od natężenia światła otoczenia inteligentne telewizory, telefony komórkowe lub ekrany komputerowe mogą regulować jasność dzięki czujnikom światła, jednak czujniki do wykrywania światła otoczenia są nie tylko powszechne w elektronice użytkowej, ale także w aplikacjach inteligentnego miasta. Są coraz częściej stosowane do dostosowania oświetlenia ulicznego lub oświetlenia miejskiego w celu zwiększenia oszczędności.


Akustyczne i akustyczne czujniki IoT

Inteligentne czujniki akustyczne pozwalają monitorować poziom hałasu w danym otoczeniu. Będąc w stanie mierzyć i dostarczać dane, które pomagają zapobiegać zanieczyszczeniu hałasem, akustyczne czujniki IoT zyskują popularność w rozwiązaniach inteligentnych miast.


Czujniki IoT poziomu wody

Aby zapobiec klęskom żywiołowym, dane gromadzone przez czujniki monitorujące poziom wody mogą być wykorzystywane w systemach ostrzegania przed powodzią do analiz i prognoz. Oprócz ochrony środowiska czujnik ten znajduje zastosowanie w różnych aplikacjach przemysłowych do kontroli i optymalizacji procesów produkcyjnych.


Czujniki IoT obecności i bliskości

Emitując elektromagnetyczną wiązkę promieniowania, ten typ czujnika jest w stanie wykryć obecność obiektu docelowego i określić odległość, która dzieli oba te obiekty. Dzięki wysokiej niezawodności i długiej żywotności nie dziwi fakt, że szybko dotarli do tak wielu sektorów Internetu Rzeczy, takich jak inteligentne samochody, robotyka, produkcja, maszyny, lotnictwo, a nawet inteligentne rozwiązania parkingowe.


Czujniki ruchu IoT

System inteligentnego budynku jest prawdopodobnie najbardziej banalną aplikacją IoT dla czujnika ruchu, jaką można sobie wyobrazić. Chociaż ta oczywistość jest w dużej mierze prawdziwa, oprócz pomagania w monitorowaniu prywatnych lub publicznych przestrzeni przed włamaniem i włamaniem, zastosowanie czujników ruchu obejmuje także rozwiązania do zarządzania energią, inteligentne kamery, urządzenia automatyczne i wiele innych.


 

Żyroskopowe czujniki IoT

Zadaniem tego rodzaju czujnika jest wykrywanie obrotu i pomiar prędkości kątowej, co czyni go idealnym do systemów nawigacyjnych, robotyki, elektroniki użytkowej i procesów produkcyjnych obejmujących obrót. W celu codziennej aplikacji IoT czujniki żyroskopowe są coraz częściej instalowane w urządzeniach IoT używanych przez sportowców do dokładnych pomiarów ruchów ciała w celu analizy i poprawy wyników sportowych.


 

Chemiczne czujniki IoT

Czujniki wykrywające związki chemiczne (ciała stałe, ciecze i gazy) są niezbędnymi elementami w przemysłowych systemach bezpieczeństwa, rozwiązaniach w zakresie ochrony środowiska i, co oczywiste, badaniach naukowych. Co więcej, zdobyli już wsparcie w zakresie monitorowania jakości powietrza wspieranego przez Internet Rzeczy, który pomaga miastom i stanom w walce ze szkodliwym wpływem zanieczyszczenia powietrza i wody.


Czujniki IoT obrazu

Przetwarzając dane optyczne na impulsy elektryczne, czujnik obrazu umożliwia podłączonemu obiektowi oglądanie otaczającego go środowiska i działanie na nim z wykorzystaniem inteligencji uzyskanej z analizy dostarczonych danych. Czujniki obrazu są używane, gdy zachodzi potrzeba, aby inteligentne urządzenie „zobaczyło” swoje bezpośrednie otoczenie, w tym inteligentne pojazdy, systemy bezpieczeństwa, sprzęt wojskowy, taki jak radary i sonary, urządzenia do obrazowania medycznego i oczywiście aparaty cyfrowe.


Typy siłowników IoT


Siłowniki, jak sama nazwa wskazuje, mogą działać w swoim bezpośrednim środowisku, aby umożliwić poprawne działanie maszyn lub urządzeń, w które są wbudowane. Choć są małe, rzadko są widoczne podczas pracy, ale efekty ich pracy można odczuć w pojazdach, maszynach przemysłowych lub innym sprzęcie elektronicznym wykorzystującym technologie automatyzacji. Można je podzielić na cztery główne kategorie w zależności od modelu konstrukcji i roli, jaką odgrywają w określonym środowisku Internetu Rzeczy: 

Siłowniki liniowe

Służą do umożliwienia ruchu obiektu lub elementu w linii prostej.




Silniki

Umożliwiają precyzyjne ruchy obrotowe elementów urządzenia lub całych obiektów.

 


Przekaźniki


Ta kategoria obejmuje siłowniki elektromagnesowe do obsługi przełączników mocy w lampach, grzejnikach, a nawet inteligentnych pojazdach. 



Elektrozawory


Najczęściej stosowane w sprzęcie AGD jako część mechanizmów blokujących lub wyzwalających, działają również jako sterowniki w systemach monitorowania wycieków gazu i wody na bazie Internetu Rzeczy.





Czujniki IoT to mały, pozornie nieistotny sprzęt, który przekazuje dane do systemów IoT, które są prawdziwą tkaniną, na której zbudowana jest inteligencja maszyny. Z drugiej strony siłowniki stanowią (dosłownie!) siłę napędową każdego inteligentnego przedsiębiorstwa. W obu przypadkach Internet przedmiotów interesuje nie tylko to, co wyczuwają i jak działają, ale także rzeczy, które pozwalają nam robić szybciej i lepiej.

15 czerwca 2019

Internet Rzeczy ( IoT ) w magazynie z Google Cloud - przykład systemu

"Internet of Things" to temat wiodący również na konferecji Google Cloud Next ’19. Postaram się wyjawić kilka szczegółów o tym, dlaczego i jak robotyka oraz IoT stają się na serio produkcyjnym standardem.

Wracając do IoT, zastanawiacie się pewnie, co ten temat robi na konferencji Google o chmurach? Rozjaśnię pytanie, w tym roku jeszcze nie rządzi :-)

Jak wiadomo powszechnie, wiele tematów jest wchłanianych przez Google, także temat zwany partnerstwem z największymi producentami Open Source i wielkimi firmami od spraw bankowych, logistycznych, magazynowych i baz danych. Google chce mieć konkurencję pod kontrolą, a wiadomo, że to jest w pewnym sensie win-win, bo partnerzy mogą sprzedawać swoje usługi w wersji "enterprise" w koloejnej z kilku największych chmur publicznych.
Aby nie umniejszać firmie Amazon, w chmurze AWS istnieje również taki market, na którym Ci sami partnerzy sprzedają swoje wersje płatne rozwiązań.

Następnym wchłanianym tematem jest nagłaśniany coraz bardziej aspekt dotyczący masowego zastosowania robotów w produkcji. Temu tematowi został poświęcony m. in. poniższy temat wystąpienia.

Connected Robots: IoT in the Warehouse (Cloud Next '19)

 


 

Jak się domyślacie magazynier, to jeden z pierwszych zawodów, który znika po ponad 150-latach z naszego rynku pracy. Na ten moment zastąpiony jest robotami w wielkich fabrykach, ale kwestią czasu jest zanim zawód magazynier to będzie historia. W opasłych centrach magazynownia już ludzie nie biegają za paczuszkami, a stanowią jedynie nadzorców procesów, sortują niewygodne dla manipulatorów w robotach detale, wspomagają roboty w ich masowej pracy. Celowo wytłuszczam wspomagają, bo tak na prawdę, to kwestia powstania w miarę uniwersalnego manipulatora i pozamiatane :-)



Wracając do wykładu, to przedstawia on dziedzinę magazynowania odnosząc się do IoT jako konieczność w tych czasach i naturalny kierunek rozwoju dla  magazynów (ang. warehouses). Zaprezentowany jest jeden z przedstawicieli gatunku - robot wspomagający prace magazynowe. Przy okazji opowiadają, że do prototypowania i testowania nowych konceptów, nowego softu wspierają się też usługą Kubernates, gdyż jest wygodną formą stawiania infrastruktury na życzenie. Prowadzący wyjaśnia, że pokazany wyżej robot powstał w 9 miesięcy dzięki:
  • platformie NVIDIA Jetson
  • platformie ROS Open Source
  • platforma Google Cloud




Na powyższym diagramie prowadzący wyjaśnia, że dzięki robotom zawód magazyniera może doznać znaczącej poprawy wydajności i roboty wyraźnie przyspieszają pracę magazynu. Da się to zmierzyć i można powiedzieć, że każdy człowiek współpracujący z robotem na magazynie jest 2/3-razy wydajniejszy.

Efektywność jest określana przez dane i decyzje. Roboty, które pracują na magazynie mają bardzo wiele danych z czujników i ciągle podejmują decyzje o kolejnych zadaniach. Prowadzący wyjaśnia, że dzięki pojęciu inteligencji operacyjnej oraz złożonym zapytaniom w czasie rzeczywistym, możliwe jest działanie bez przerw i znaczących awarii. Zamyka się to w slajdzie Data Driven Decisions:





Bardzo ciekawe jest też podejście do diagnostyki sieci WiFi, która służy do komunikacji z farmą robotów. Posiadają dedykowane dashboardy do tego:




Bardzo ważne podczas budowania robotów przemysłowych jest śledzenie tego co robot robi. Mam na myśli, czym się zajmuje w większości czasu. Oto jak prowadzący prezentują nam ten temat i coś przewidywalnego w takim zastosowaniu - robot po prostu w ~50% czasu jeździ :-)



Idąc dalej za metrykami, które w takim magazynie są istotne będzie to  efektywność pracy robota w magazynie. Co jest ciekawego w tym wystąpieniu? Okazuje się, że nie można uzyskać większej wydajności, kiedy zwiększamy prędkość przemieszczania się robotów w magazynie !!!
Z pomocą przychodzi AI i Machine Learning, dzięki któremu inżynierowie przygotowali/wytrenowali modele ML pozwalające uzyskać największą efektywność.
Poniższy slajd obrazuje na górze model podstawowy rozkładu prędkości jazdy, który nie zapewniał oczekiwanej efektywności i na dole, który zapewnia największą efektywność w pracy robotów CHUCK w magazynie. Jak widać model nie ma charakterystyki stałej w czasie (patrz na kolory), co tłumaczy fakt konieczności optymalizacji zależnie od miejsc, które przemierza robot.



Kolejnym zagadnieniem typowym dla powierzchni magazynowych jest orientacja w czasie rzeczywistym, gdzie i jak przemieszczają się zarówno roboty jak i ludzie po magazynie.
Dla prawidłowego działania magazynu niezbędny jest monitoring robotów, które mogą określone zadania. Niechcianym przypadkiem jest blokowanie drogi przez kilka robotów, które "zagubiły się" lub po prostu skończyło im się zasilanie. Monitoring pozycji w czasie rzeczywistym stanowi podstawę utrzymania infrastruktury magazynowej i zapewnia bezpieczeństwo ludziom.




Monitoring w czasie rzeczywistym jest związany z faktem działania magazynu produktowego przez 24h bez przerwy. Klienci oczekują dostawy w 2 dni, więc niezbędne okazują się metryki na temat tempa pracy maszyn i ich stanu. Co ciekawe monitorowanie odbywa się w znanej w świecie Internetu Rzeczy bazie serii czasowych InfluxDB, która spełnia właściwie swoją rolę.
Opowiadający wspomina, o tym, że monitoring CPU robotów jest super ważny, gdyż przegrzanie się procesorów na skutek uszkodzenia wiatraka to typowy przypadek i wówczas roboty zachowują się w nieprzewidywalny sposób.
Wspomina również o koncepcie Preventive Maintenence (PdM) (pol. konserwacja zapobiegawcza), zgodnie z którym można wymieniając w odpowiednich momentach części znając ich zużycie oszczędzić czas klientów. Jest to związane ze zmniejszeniem czasu potrzebnego na angażowanie inżynierów w utrzymanie. Po prostu w tym czasie programiści mogą wytworzyć kolejne ważne i cenne funkcjonalności.



Bardzo ważne okazują się dla utrzymania i weryfikowania optymalnych rozwiązań nagrania ścieżek  jazdy robotów CHUCK. Do tego celu inżynierowie stworzyli specjalne archiwum zapisujące to jak "widzi trasę robot" i mogą w dowolnym momencie "spojrzeć jego oczami"  bez konieczności przelotu osobiście samolotem do odległego o tysiące kilometrów magazynu.