Como funcionam 13 sensores inteligentes para casa

Revista "Forbes": Atualmente, e mesmo nas próximas décadas, entre os 10 principais produtos tecnológicos que afetam e transformam a estrutura econômica mundial e o estilo de vida das pessoas, os sensores figuram na lista dos 10 principais, indicando que a era dos sensores chegou!

A Internet das Coisas (IoT) é uma vasta rede formada pela combinação de diversos dispositivos de sensoriamento de informações e a internet. O desenvolvimento da IoT requer suporte técnico, como percepção, identificação e comunicação inteligentes, sendo a chave para a percepção os sensores e tecnologias relacionadas. O sistema de controle de uma casa inteligente é o "coração" do sistema, e o sensor é o "contexto" de todo o sistema de controle, atuando como o "sistema nervoso central" de todo o sistema. O desenvolvimento da tecnologia de sensores desempenha um papel fundamental no rápido crescimento das casas inteligentes.

Do ponto de vista da cadeia industrial, o segmento a montante do sensor consiste principalmente em vários componentes que suportam a camada de percepção; o segmento intermediário é a camada de transmissão, composta por transmissão óptica, equipamentos de comunicação, equipamentos de rede, etc.; e baseia-se principalmente em aplicações, sendo a casa inteligente um dos setores extremamente importantes.

Os sensores de uma casa inteligente são os "olhos, narizes e ouvidos" do lar, pois a casa inteligente é inseparável da coleta de dados "humanizados" do ambiente residencial, ou seja, as diversas grandezas físicas, químicas e de biomassa presentes no ambiente doméstico são convertidas em dispositivos e componentes de sinalização elétrica mensuráveis.

O setor de casas inteligentes exige o uso de sensores para medir, analisar e controlar as configurações do sistema. Os dispositivos inteligentes utilizados em residências envolvem tecnologias como sensores de posição, sensores de proximidade, sensores de nível de líquidos, controle de fluxo e velocidade, monitoramento ambiental e sensores de segurança.

Princípios de equipamentos de sensores para consumidores domésticos

Sensor de temperatura

O sensor de temperatura converte a temperatura em um sinal de saída utilizável, aplicando-se às leis que regem a variação das propriedades físicas das substâncias com a temperatura. O sensor de temperatura é a parte central do instrumento de medição de temperatura e existem muitos tipos. De acordo com o método de medição, ele pode ser dividido em duas categorias: de contato e sem contato. De acordo com as características dos materiais e componentes eletrônicos do sensor, ele pode ser dividido em duas categorias: resistividade térmica e termopar.

Embora existam muitos tipos de sensores de temperatura, o princípio geral é detectar a variação de temperatura, fazendo com que a resistência de componentes sensíveis, como termistores e termopares, se altere, resultando em uma variação na tensão de saída do circuito.

Dois condutores de composições diferentes (chamados fios de termopar ou termodos) são conectados em ambas as extremidades, formando um circuito fechado. Quando a temperatura das duas junções é diferente, uma força eletromotriz é gerada no circuito. Esse fenômeno é chamado de efeito termoelétrico. Essa força eletromotriz é chamada de potencial termoelétrico. Os termopares utilizam esse princípio para medir a temperatura. Uma extremidade, que é usada diretamente para medir a temperatura do meio, é chamada de extremidade de trabalho, também conhecida como extremidade de medição, e a outra extremidade é chamada de extremidade fria, também conhecida como extremidade de compensação; a extremidade fria é conectada ao instrumento de exibição ou instrumento auxiliar. O medidor de exibição indicará o potencial termoelétrico gerado pelo termopar.

Sensor de umidade

No controle de casas inteligentes, o controle da umidade pode melhorar a qualidade de vida dos usuários e proporcionar um ambiente mais agradável. Em casas inteligentes, o controle da umidade é realizado principalmente por meio de sensores de umidade.

O sensor de umidade pode exibir as mudanças específicas na umidade do ar. Dentro do sistema integrado, existem sensores de umidade e circuitos amplificadores que convertem as informações de umidade em sinais de tensão e os transmitem para o sistema de computador do umidificador.

Sensor de temperatura e umidade

No controle de casas inteligentes, o controle de temperatura e umidade é um indicador importante do controle ambiental, mas controlar apenas um único indicador desperdiçaria muitos recursos e prolongaria o tempo de cálculo, o que exige análise por síntese computacional. Portanto, é necessário explorar novos métodos de aplicação de sensores.

O sensor de temperatura e umidade permite o ajuste simultâneo de temperatura e umidade, o que está em consonância com o conceito de casa inteligente, além de apresentar características como tamanho reduzido e baixo consumo de energia. O sensor é utilizado para controlar a temperatura e a umidade internas. O chip do sensor coleta informações de temperatura e umidade simultaneamente, calcula as duas variáveis ​​físicas separadamente em um sistema independente e as converte em sinais elétricos, transmitindo-os aos terminais de controle correspondentes para realizar o controle da casa inteligente.

Sensor de luz visível: um componente que converte a variação da intensidade da luz visível em uma variação de corrente ou tensão. Um sensor fotoelétrico é um sensor que utiliza um elemento fotoelétrico como elemento de detecção. Ele primeiro converte as variações medidas em variações nos sinais ópticos e, em seguida, converte os sinais ópticos em sinais elétricos com o auxílio de elementos fotoelétricos. Os sensores fotoelétricos são geralmente compostos por três partes: fonte de luz, caminho óptico e elemento fotoelétrico.

sensor de som

O princípio do sensor de som é muito simples, utilizando principalmente um microfone elétrico com resposta de frequência semelhante à do ouvido humano. O circuito amplifica o sinal e o transmite para a interface de telecomunicações. O sensor de som funciona como um microfone, recebendo ondas sonoras e exibindo a imagem vibratória do som. No entanto, a intensidade do ruído não pode ser medida.

Na verdade, o sinal é enviado ao coletor de dados por duas linhas diferentes. O sensor de som incorpora um microfone de eletreto de condensador sensível ao som. As ondas sonoras fazem vibrar a película de eletreto dentro do microfone, causando uma mudança na capacitância e uma pequena voltagem correspondente a essa mudança. Essa voltagem é então convertida em uma voltagem de 0 a 5 V, recebida pelo coletor de dados por meio de conversão analógico-digital (A/D) e transmitida ao computador.

sensor de gás

Os sensores de gás podem ser usados ​​para medir o tipo, a concentração e a composição de um gás, detectando componentes específicos e convertendo esses parâmetros em sinais elétricos. Também chamados de sensores de gás, incluem-se principalmente sensores de gás semicondutores, sensores de gás de combustão por contato e sensores de gás eletroquímicos, sendo os sensores de gás semicondutores os mais utilizados.

Os sensores de gás incluem sensores eletroquímicos, sensores de combustão catalítica, sensores semicondutores, sensores infravermelhos e sensores de fotoionização, que podem detectar gases tóxicos (formaldeído, CO2, CO, etc.), gases combustíveis (gás natural CH4) e compostos orgânicos voláteis (COVs).

O princípio específico é que a velocidade e a frequência da onda na superfície do dispositivo de onda acústica variam com a mudança do ambiente externo. O sensor de gás utiliza essa propriedade para revestir a superfície do cristal piezoelétrico com uma película sensível a gases, que adsorve seletivamente um determinado gás. Quando a película sensível a gases interage com o gás a ser medido (ação química ou biológica, ou adsorção física), a qualidade e a condutividade da película sensível a gases se alteram, e a frequência da onda acústica de superfície do cristal piezoelétrico também varia; a concentração do gás é diferente, e o grau de variação na qualidade e na condutividade da película também varia, ou seja, a frequência da onda acústica de superfície também varia. Medindo a variação da frequência da onda acústica de superfície, é possível obter o valor preciso da variação da concentração do gás em reação.

Os parâmetros do sensor de gás incluem principalmente tensão de aquecimento, corrente, tensão do circuito de medição, sensibilidade, tempo de resposta, tempo de recuperação, tensão no gás de calibração (gás butano a 0,1%), valor da resistência de carga, etc.

O princípio do sensor de qualidade do ar

princípios químicos

O gás poluente presente no ar se liga à superfície do óxido metálico, reduzindo sua resistência. Essa variação está diretamente relacionada à concentração do gás poluente. O material de óxido metálico do sensor de qualidade do ar varia de acordo com a temperatura de operação. O óxido metálico desse sensor, ao ser oxidado, apresenta baixa seletividade química e reage com diversos gases poluentes (formaldeído, benzeno, amônia, fumaça de cigarro, perfume), sendo essa reação abrangente utilizada para caracterizar a qualidade do ar.

Princípio do infravermelho

O sensor de gás infravermelho é um tipo de dispositivo de detecção de gases baseado nas características de absorção seletiva do espectro infravermelho próximo de diferentes moléculas de gás, utilizando a relação entre a concentração do gás e a intensidade de absorção (lei de Lambert-Beer) para identificar os componentes do gás e determinar sua concentração. Quando o comprimento de onda do infravermelho coincide com o espectro de absorção do gás a ser medido, a energia infravermelha é absorvida. A atenuação da intensidade da luz infravermelha após passar pelo gás a ser medido obedece à lei de Lambert-Beer.

Quanto maior a concentração de gás, maior a atenuação da luz. Portanto, a concentração de gás pode ser medida pela atenuação da luz infravermelha pelo gás. Para garantir uma relação linear entre as leituras, quando a concentração do componente a ser medido é alta, a câmara de medição do analisador é mais curta, com um diâmetro mínimo de 0,3 mm; quando a concentração é baixa, a câmara de medição é mais longa, com um diâmetro máximo superior a 200 mm. A energia luminosa remanescente após a absorção é detectada por um detector de infravermelho.

Sensor de partículas a laser

O conversor fotoelétrico converte o sinal em um sinal elétrico para medir a quantidade de material particulado, sendo mais preciso do que outras medições infravermelhas comuns, e pode medir dados de PM2,5, PM1,0 e PM10 em ambientes internos em tempo real.

Sensor de imersão em água

O sensor de imersão em água baseia-se no princípio da condução de líquidos. O eletrodo é utilizado para detectar a presença de água, convertendo o sinal em uma saída de contato seco. Este sensor possui dois estados de saída: normalmente aberto e normalmente fechado.

Os sensores de imersão dividem-se em detectores de imersão em água por contato e detectores de imersão em água sem contato.

Detector de imersão em água por contato, que utiliza o princípio da condução de líquidos para detecção. Normalmente, a sonda bipolar é isolada por ar; quando imersa em água, a sonda é ativada e o sensor emite um sinal de contato seco. Quando a sonda é imersa em água a uma profundidade de aproximadamente 1 mm, um sinal de alarme é gerado.

O detector de imersão em água sem contato utiliza o princípio da refração e reflexão da luz em diferentes meios para detecção. LEDs e receptores fotoelétricos são colocados dentro de um hemisfério de plástico. Quando o detector é colocado no ar, a maioria dos fótons emitidos pelos LEDs é recebida pelo receptor fotoelétrico devido à reflexão total; os fótons incidentes pelos LEDs são reduzidos, alterando assim a saída do detector. É adequado para uso em locais com vazamentos de líquidos corrosivos e condutores em geral.

sensor de porta

O sensor de porta sem fio é composto por um módulo transmissor sem fio e um bloco magnético. Há um componente de "tubo de lâmina de aço" entre as duas setas no módulo transmissor sem fio. Quando a distância entre o ímã e o tubo de lâmina de aço é mantida em até 1,5 cm, o tubo de lâmina de aço permanece desconectado. Assim que a distância entre o ímã e o tubo de lâmina de aço ultrapassa 1,5 cm, o tubo de lâmina de aço se fecha, causando um curto-circuito, o que aciona a luz indicadora de alarme e envia um sinal de alarme para a central. O sinal de alarme sem fio do sensor de porta pode ser transmitido a uma distância de até 200 metros em áreas abertas e 20 metros em áreas residenciais, estando intimamente relacionado ao ambiente ao redor.

Sensor de imagem

Em uma casa inteligente, o sensor de imagem também é um dos componentes de aplicação importantes. Isso se deve principalmente ao fato de que, na construção moderna, é necessário usar equipamentos de monitoramento para realizar o monitoramento interno e das áreas residenciais vizinhas. Nos métodos de monitoramento tradicionais, as câmeras são usadas principalmente para monitorar, e as informações não podem ser transmitidas aos usuários. A destruição desses equipamentos causaria grandes prejuízos ao usuário.

Em um sistema de casa inteligente, através do monitoramento pelo PC, as informações podem ser enviadas para o celular ou computador do usuário, permitindo o monitoramento remoto. Nesse monitoramento inteligente, o sensor de imagem pode ser usado para conversão fotoelétrica, composto principalmente por sensores CCD e CMOS, possibilitando que câmeras digitais controlem totalmente a casa inteligente.

Sensor infravermelho

O sensor infravermelho baseia-se no princípio da reflexão infravermelha. Quando uma determinada parte do corpo humano está na região infravermelha, a luz infravermelha emitida pelo tubo transmissor é refletida para o tubo receptor devido ao bloqueio causado pelo corpo humano. O sinal é então enviado para a válvula solenoide de pulso através do circuito integrado, e a válvula solenoide recebe o sinal e controla o carretel de acordo com o comando especificado.

O sensor infravermelho é composto por três partes: sistema óptico, elemento de detecção e circuito de conversão. Os sistemas ópticos podem ser divididos em tipo de transmissão e tipo de reflexão, de acordo com suas diferentes estruturas. O elemento de detecção pode ser dividido em elemento de detecção térmica e elemento de detecção fotoelétrica, de acordo com o princípio de funcionamento. O elemento de detecção térmica mais comum é o termistor. Quando o termistor é exposto à radiação infravermelha, sua temperatura aumenta e sua resistência se altera, sendo essa alteração convertida em um sinal elétrico de saída através do circuito de conversão.

sensor de fumaça

A prevenção de incêndios é alcançada através do monitoramento da concentração de fumaça. O interior do detector de fumaça utiliza sensores iônicos. O sensor iônico de fumaça é uma tecnologia avançada, estável e confiável, amplamente utilizada em diversos sistemas de alarme de incêndio. É muito superior aos alarmes de incêndio com resistência a gases.

sensor de presença humana

Utilizando a lei da radiação de corpo negro, ou seja, todos os objetos acima do zero absoluto irradiam energia constantemente para fora, a magnitude da energia irradiada por um objeto e sua distribuição por comprimento de onda estão intimamente relacionadas à sua temperatura superficial. Quanto maior a temperatura, mais potente a radiação infravermelha emitida. Para detectar de forma rápida e confiável a entrada de um corpo humano na área de cobertura, o sensor é totalmente compatível com os principais protocolos de comunicação, permitindo a integração com outros equipamentos. Isso possibilita sua ampla aplicação em edifícios inteligentes, hotéis, projetos de conservação de energia e redução de emissões, além de monitoramento de segurança residencial inteligente.