IoT: von Sensoren zu Aktoren

Sie möchten Sensoren und Aktoren mit Geschäftslogik auf höchster Ebene verbinden? Ohne Kompass und Navigationsgerät kann das ein schwieriges Unterfangen werden. Nicht unmöglich, jedoch unstrukturiert und sicher unsicher wäre das Ergebnis. Dabei wird die Vernetzung und die damit gegebenen Möglichkeiten, bspw. den Überblick zu behalten und auf das Wesentliche zu fokussieren, immer wichtiger.

Die Komplexität und die Volatilität unserer Umwelt schreitet weiter voran – sei es in Industrieanlagen oder im öffentlichen Raum.

Wenn wir Ihnen einen Tipp geben dürfen: Nutzen Sie unsere Expertise in den verschiedenen Ebenen des Stacks. Wir erarbeiten mit Ihnen ein Konzept zur Aufnahme der am Sensor erhobenen Daten bis hin zur Steuerung der Aktoren. Dabei legen wir besonderen Wert auf die Auswahl der für Sie am besten geeigneten Technologie, um maximalen Mehrwert zu schöpfen.

Profitieren Sie von „intelligenten Produkten“

Die Welt um uns herum verändert sich rasant. Mittlerweile sind die Möglichkeiten zur Messung, Kommunikation und Interaktion mit der Umwelt enorm. Insbesondere die Brücke von der digitalen in die physikalische Welt ist zunehmend leichter zu überqueren. Gleichzeitig steigt der Anspruch unserer Kunden:

  • Hätten auch Sie gerne einen Drucker, der Toner und Papier selbstständig bestellt?
  • Warum wird die Mülltonne geleert, auch wenn sie erst zu 30% gefüllt ist?
  • Kann die Maschine nicht vorher wissen, dass sie bald ausfällt?

Sie werden uns sicher darin zustimmen, dass vieles nicht mehr eine Frage der technischen Machbarkeit ist. Warum also zögern? In der Vergangenheit waren die Kosten für viele „Komfortdienste“ sehr hoch, doch in den letzten Jahren hat sich einiges getan. So ist es viel preiswerter geworden, Sensoren in Anwendungen zu integrieren. Damit wird nicht nur die Überwachung eines Systems einfacher, sondern es wird auch der Automatisierungsgrad durch den Einsatz entsprechender Aktoren gesteigert.

Jetzt heißt es also Ideen zu entwickeln – Ideen fördern – Ideen sortieren. Wie können Sie oder Ihre Kunden von „intelligenten Produkten“ profitieren? Design Thinking ist eine Methode, die wir gerne einsetzen, um Kreativität zu kanalisieren. Auf unserer Seite über Prototyping können Sie mehr über die Prozesse und Vorgehensweisen der Prototypenentwicklung erfahren.

Eine detaillierte Übersicht der Sensoren

Ein kleiner Exkurs über einen Teilbereich der Sensorik hilft Ihnen möglicherweise bereits, gute Ideen zu finden. Lassen Sie uns verschiedene Arten von Sensoren sowie typische Beispiele betrachten:

Industrielle Sensoren für IoT und Industrie 4.0.Quelle: eigene Darstellung

Durch mechanische und thermische Bewegungen, Deformierungen und Temperaturschwankungen verändert sich der Widerstand des Sensors, was zu einer Veränderung des analogen Ausgangssignals führt.

  • Touchschalter

Reagiert auf eine Veränderung der elektrischen Kapazität, beispielsweise durch eine Annäherung zweier Platten.

  • Kapazitiver Schalter
  • Feuchtigkeitsmesser
  • Inertial Sensorik
  • Näherungsschalter

Reagiert auf eine Änderung der Induktivität. Dieser Sensor wird genutzt, um ferromagnetische Teile zu erfassen.

  • Erkennen von Metall
  • Endschalter von Maschinen

Dieser Sensor signalisiert Änderungen des ihn umgebenden Magnetfeldes.

  • Lagesensor für Flugkörper durch Hall-Sensor
  • MRT
  • Widerstandsänderung in Leitern

Durch den Einfall von Licht verändern sich die Eigenschaften von photoelektrischen Bauteilen. Optoelektronische Sensoren können auch analog ausgelesen werden.

  • Helligkeitssensor
  • Optische Erfassung
  • Inkrementalgeber (z. B. Drehzahlmesser)
  • Abstandsmessung

Reagiert auf eine Veränderung der Belastung eines Piezokristalls.

  • Drucksensor
  • Beschleunigungsaufnehmer
  • Frequenzsensor (z. B. Mikrofone zur Tonaufnahme)

Elektrochemische Eigenschaften von Materialien und Membrandruckunterschiede werden genutzt, um eine Veränderung von chemischen Eigenschaften zu erfassen.

  • Lambdasonde
  • pH-Elektrode zur Messung des pH-Werts
  • Gasanalyse
  • CO-Sensor für bspw. Kohlenmonoxid-Melder

Die Temperaturerfassung geschieht über die Messung von Wärmestrahlung oder einer Widerstandsänderung in einem elektrischen Widerstand.

  • Laserthermometer
  • Temperatursonde

Verbindung von Sensoren und Mikrocontroller

Die Einbindung solcher Sensorik kann auf unterschiedliche Arten erfolgen:

Ein analoges Sensorsignal muss für eine weitere Übertragung digitalisiert werden. Dafür kann das Signal in ein Binärsignal oder über einen Analog-Digital Wandler in einen proportionalen Wert umgewandelt werden.

Die Auswahl des richtigen Microcontrollers spielt hierbei eine wichtige Rolle, um den Informationsgehalt der Sensorwerte nicht zu mindern.

Ein digitales Signal kann über viele verschiedene Schnittstellen übertragen werden. Ebenfalls muss hierbei die Auswahl beachtet werden, um die gebotene Schnittstelle des Sensors auch nutzen zu können.

Durch die Wahl einer digitalen Schnittstelle kann ein System auch skalierbar aufgebaut werden, denn mehrere Sensoren können sich über dieselbe Schnittstelle verbinden und ansteuern lassen.

Als Beispiele für Schnittstellen sind hier I2C, UART, USART und CANBUS zu nennen.

Mikrocontroller – Verarbeitung und Einbindung

Um Sensoren in Ihr IoT Netzwerk zu integrieren, benötigen Sie eine Netzwerkschnittstelle. Dabei handelt es sich meist um eine Embedded-Lösung, die die Sensordaten vorverarbeitet und an eine Datenbank weitersendet. In der Vorverarbeitung können bspw. einfache Filter über die Sensorsignale gelegt werden, um nur die notwendigen Signale weiter zu geben. Durch Vorverarbeitung wird Strom gespart, der bei einer Low-Energy-Akku-Lösung die Laufzeit verbessert. Je weniger Verbindungen bestehen, desto länger kann eine Schaltung betrieben werden. Würde jede noch so unwichtige Nachricht übertragen werden, wäre eine Low-Energy-Lösung bereits früh am Ende ihrer Laufzeit.

Da IoT aber nicht nur ein Nehmen, sondern auch ein Geben zulässt, können Maschinen weiter automatisiert werden. Über die Einbindungen von Aktoren können unterschiedliche Funktionen standortunabhängig gesteuert werden. Möchten Sie von Zuhause einen neuen Auftrag für Ihren 3D-Drucker starten oder Ihren Schreibtischcontainer für Ihren Kollegen aufschließen? Kein Problem! Eine kleine vernetzte Schaltung kann großes Bewegen.

Ob Motor, Schaltventil, Licht oder ein komplexer Auftrag für bspw. eine CNC-Fräse – Durch das Einbringen von IoT sind Sie mobil im Befehligen des jeweiligen Gerätes.

Um nochmals die Sicht unserer Kunden aufzugreifen – Warum setzen wir Sensoren nicht überall in Massen ein? Neben Merkmalen wie Genauigkeit, Präzision, Auflösung, Stromverbrauch, Baugrößen, Haltbarkeit, Messzeit und Messrate spielt der Preis natürlich eine ausschlaggebende Rolle.

Lassen Sie uns hier zwei Szenarien unterscheiden

  • IoT Szenarien profitieren fast ausnahmslos von Neuentwicklungen im Sensorbereich. Durch die Masse, in der IoT-Sensorik hergestellt wird, fallen die Preise stark. Damit lassen sich Use Cases umsetzen, die zuvor schlicht unwirtschaftlich waren.
  • Industrie 4.0 Szenarien sind aufgrund größerer Anforderungen, geringerer Stückzahlen und den damit verbundenen Kosten weiterhin häufig nicht rentabel.

Verbindung ist Alles

Die „Fernsteuerung” von Sensoren und Aktoren und die Tatsache, dass diese ihre Messungen nun anderen Komponenten einfach zur Verfügung stellen können, ist eine Errungenschaft neuer Technologien. Viele verschiedene Verbindungsmöglichkeiten, wie z. B. Bluetooth, LoRaWAN, Mobilfunk oder Funk ermöglichen zudem einen mobilen und besonders flexiblen Einsatz. Die Vielfalt der Protokolle für den Transport der Daten haben wir auf unserer Seite zum Thema Datentransport weiter ausgeführt.

Für die Kommunikation mit dem restlichen Netzwerk wird meist ein Gateway genutzt. In diesem Kontext stellt dieses eine Kommunikationsschnittstelle zwischen Sensorsignal und der nächsthöheren Ebene (bspw. die Cloud) her. Falls Sie schon die entsprechenden Maschinen oder die notwendige Sensorik in Ihrer Firma haben, binden wir diese für Sie ein. Eine Embedded Lösung für Ihr Projekt, das Sensorik und Netzwerk auf kleinstem Raum oder unter kritischen Bedingungen verknüpft, begeistert uns und schafft neue Visionen.

Daten gewinnen und Erkenntnisse umsetzen

Als unabhängiger Dienstleister ist es uns ein besonderes Anliegen, für Ihre Kunden einen maximalen Nutzen zu schaffen. Nur so können wir auch Sie maximal unterstützen. Dabei beraten wir Sie zu allen Themen, die Sie für Ihr IoT-Projekt benötigen. Industrie 4.0 Projekte erfordern Spezialwissen, das wir zusammen mit Ihnen aufbringen können. Nichts ist so unschlagbar, wie die Kombination aus IT- und Fachwissen!

Unter anderem bieten wir an

  • Auswahl von Sensoren verschiedener Anbieter für Ihr Projekt.
  • Konzeption und Umsetzung einer sicheren Verbindung von Sensoren in die Cloud oder zur verarbeitenden Einheit.
  • Prototypische Umsetzung Ihres Produkts mit ausgewählten Sensoren zur Datenerfassung

Sensoren auswählen, anbinden und integrieren sind letztendlich immer Vorbereitungen auf den wertschöpfenden Schritt – sehen Sie hierzu auch Artificial Intelligence & Machine Learning.

Ihr Ansprechpartner

Novatec_Jonas-Grundler

Jonas Grundler

Head of IoT & Digital Innovation
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Ihr Ansprechpartner Jonas Grundler Head of IoT & Digital Innovation
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