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 econ?mica 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 combina??o de diversos dispositivos de sensoriamento de informa??es e a internet. O desenvolvimento da IoT requer suporte técnico, como percep??o, identifica??o e comunica??o inteligentes, sendo a chave para a percep??o os sensores e tecnologias relacionadas. O sistema de controle de uma casa inteligente é o "cora??o" 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 percep??o; o segmento intermediário é a camada de transmiss?o, composta por transmiss?o óptica, equipamentos de comunica??o, equipamentos de rede, etc.; e baseia-se principalmente em aplica??es, sendo a casa inteligente um dos setores extremamente importantes.

Os sensores de uma casa inteligente s?o 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 s?o convertidas em dispositivos e componentes de sinaliza??o elétrica mensuráveis.

O setor de casas inteligentes exige o uso de sensores para medir, analisar e controlar as configura??es do sistema. Os dispositivos inteligentes utilizados em residências envolvem tecnologias como sensores de posi??o, sensores de proximidade, sensores de nível de líquidos, controle de fluxo e velocidade, monitoramento ambiental e sensores de seguran?a.

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 varia??o das propriedades físicas das subst?ncias com a temperatura. O sensor de temperatura é a parte central do instrumento de medi??o de temperatura e existem muitos tipos. De acordo com o método de medi??o, ele pode ser dividido em duas categorias: de contato e sem contato. De acordo com as características dos materiais e componentes eletr?nicos 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 varia??o de temperatura, fazendo com que a resistência de componentes sensíveis, como termistores e termopares, se altere, resultando em uma varia??o na tens?o de saída do circuito.

Dois condutores de composi??es diferentes (chamados fios de termopar ou termodos) s?o conectados em ambas as extremidades, formando um circuito fechado. Quando a temperatura das duas jun??es é diferente, uma for?a eletromotriz é gerada no circuito. Esse fen?meno é chamado de efeito termoelétrico. Essa for?a 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 medi??o, e a outra extremidade é chamada de extremidade fria, também conhecida como extremidade de compensa??o; a extremidade fria é conectada ao instrumento de exibi??o ou instrumento auxiliar. O medidor de exibi??o 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 mudan?as específicas na umidade do ar. Dentro do sistema integrado, existem sensores de umidade e circuitos amplificadores que convertem as informa??es de umidade em sinais de tens?o 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 desperdi?aria muitos recursos e prolongaria o tempo de cálculo, o que exige análise por síntese computacional. Portanto, é necessário explorar novos métodos de aplica??o de sensores.

O sensor de temperatura e umidade permite o ajuste simult?neo de temperatura e umidade, o que está em conson?ncia 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 informa??es 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 varia??o da intensidade da luz visível em uma varia??o de corrente ou tens?o. Um sensor fotoelétrico é um sensor que utiliza um elemento fotoelétrico como elemento de detec??o. Ele primeiro converte as varia??es medidas em varia??es nos sinais ópticos e, em seguida, converte os sinais ópticos em sinais elétricos com o auxílio de elementos fotoelétricos. Os sensores fotoelétricos s?o 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 telecomunica??es. O sensor de som funciona como um microfone, recebendo ondas sonoras e exibindo a imagem vibratória do som. No entanto, a intensidade do ruído n?o 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 mudan?a na capacit?ncia e uma pequena voltagem correspondente a essa mudan?a. Essa voltagem é ent?o convertida em uma voltagem de 0 a 5 V, recebida pelo coletor de dados por meio de convers?o analógico-digital (A/D) e transmitida ao computador.

sensor de gás

Os sensores de gás podem ser usados ??para medir o tipo, a concentra??o e a composi??o de um gás, detectando componentes específicos e convertendo esses par?metros em sinais elétricos. Também chamados de sensores de gás, incluem-se principalmente sensores de gás semicondutores, sensores de gás de combust?o 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 combust?o catalítica, sensores semicondutores, sensores infravermelhos e sensores de fotoioniza??o, que podem detectar gases tóxicos (formaldeído, CO2, CO, etc.), gases combustíveis (gás natural CH4) e compostos org?nicos voláteis (COVs).

O princípio específico é que a velocidade e a frequência da onda na superfície do dispositivo de onda acústica variam com a mudan?a 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 (a??o química ou biológica, ou adsor??o 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 concentra??o do gás é diferente, e o grau de varia??o na qualidade e na condutividade da película também varia, ou seja, a frequência da onda acústica de superfície também varia. Medindo a varia??o da frequência da onda acústica de superfície, é possível obter o valor preciso da varia??o da concentra??o do gás em rea??o.

Os par?metros do sensor de gás incluem principalmente tens?o de aquecimento, corrente, tens?o do circuito de medi??o, sensibilidade, tempo de resposta, tempo de recupera??o, tens?o no gás de calibra??o (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 varia??o está diretamente relacionada à concentra??o do gás poluente. O material de óxido metálico do sensor de qualidade do ar varia de acordo com a temperatura de opera??o. O óxido metálico desse sensor, ao ser oxidado, apresenta baixa seletividade química e reage com diversos gases poluentes (formaldeído, benzeno, am?nia, fuma?a de cigarro, perfume), sendo essa rea??o abrangente utilizada para caracterizar a qualidade do ar.

Princípio do infravermelho

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

Quanto maior a concentra??o de gás, maior a atenua??o da luz. Portanto, a concentra??o de gás pode ser medida pela atenua??o da luz infravermelha pelo gás. Para garantir uma rela??o linear entre as leituras, quando a concentra??o do componente a ser medido é alta, a c?mara de medi??o do analisador é mais curta, com um di?metro mínimo de 0,3 mm; quando a concentra??o é baixa, a c?mara de medi??o é mais longa, com um di?metro máximo superior a 200 mm. A energia luminosa remanescente após a absor??o 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 medi??es infravermelhas comuns, e pode medir dados de PM2,5, PM1,0 e PM10 em ambientes internos em tempo real.

Sensor de imers?o em água

O sensor de imers?o em água baseia-se no princípio da condu??o de líquidos. O eletrodo é utilizado para detectar a presen?a 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 imers?o dividem-se em detectores de imers?o em água por contato e detectores de imers?o em água sem contato.

Detector de imers?o em água por contato, que utiliza o princípio da condu??o de líquidos para detec??o. 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 imers?o em água sem contato utiliza o princípio da refra??o e reflex?o da luz em diferentes meios para detec??o. LEDs e receptores fotoelétricos s?o 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 reflex?o total; os fótons incidentes pelos LEDs s?o reduzidos, alterando assim a saída do detector. ? 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 l?mina de a?o" entre as duas setas no módulo transmissor sem fio. Quando a dist?ncia entre o ím? e o tubo de l?mina de a?o é mantida em até 1,5 cm, o tubo de l?mina de a?o permanece desconectado. Assim que a dist?ncia entre o ím? e o tubo de l?mina de a?o ultrapassa 1,5 cm, o tubo de l?mina de a?o 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 dist?ncia 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 aplica??o importantes. Isso se deve principalmente ao fato de que, na constru??o moderna, é necessário usar equipamentos de monitoramento para realizar o monitoramento interno e das áreas residenciais vizinhas. Nos métodos de monitoramento tradicionais, as c?meras s?o usadas principalmente para monitorar, e as informa??es n?o podem ser transmitidas aos usuários. A destrui??o desses equipamentos causaria grandes prejuízos ao usuário.

Em um sistema de casa inteligente, através do monitoramento pelo PC, as informa??es 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 convers?o fotoelétrica, composto principalmente por sensores CCD e CMOS, possibilitando que c?meras digitais controlem totalmente a casa inteligente.

Sensor infravermelho

O sensor infravermelho baseia-se no princípio da reflex?o infravermelha. Quando uma determinada parte do corpo humano está na regi?o infravermelha, a luz infravermelha emitida pelo tubo transmissor é refletida para o tubo receptor devido ao bloqueio causado pelo corpo humano. O sinal é ent?o 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 detec??o e circuito de convers?o. Os sistemas ópticos podem ser divididos em tipo de transmiss?o e tipo de reflex?o, de acordo com suas diferentes estruturas. O elemento de detec??o pode ser dividido em elemento de detec??o térmica e elemento de detec??o fotoelétrica, de acordo com o princípio de funcionamento. O elemento de detec??o térmica mais comum é o termistor. Quando o termistor é exposto à radia??o infravermelha, sua temperatura aumenta e sua resistência se altera, sendo essa altera??o convertida em um sinal elétrico de saída através do circuito de convers?o.

sensor de fuma?a

A preven??o de incêndios é alcan?ada através do monitoramento da concentra??o de fuma?a. O interior do detector de fuma?a utiliza sensores i?nicos. O sensor i?nico de fuma?a é uma tecnologia avan?ada, estável e confiável, amplamente utilizada em diversos sistemas de alarme de incêndio. ? muito superior aos alarmes de incêndio com resistência a gases.

sensor de presen?a humana

Utilizando a lei da radia??o 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 distribui??o por comprimento de onda est?o intimamente relacionadas à sua temperatura superficial. Quanto maior a temperatura, mais potente a radia??o 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 comunica??o, permitindo a integra??o com outros equipamentos. Isso possibilita sua ampla aplica??o em edifícios inteligentes, hotéis, projetos de conserva??o de energia e redu??o de emiss?es, além de monitoramento de seguran?a residencial inteligente.