Jak znaleźć właściwe komponenty elektroniczne do inteligentnego budynku?

fot. Heilind

Niemal każdego dnia są publikowane informacje o nowych komponentach elektronicznych przeznaczonych do tzw. połączonych oraz inteligentnych budynków. Ich rynek jest bardzo trudny do opanowania i – jak zwraca uwagę firma dystrybucyjna Heilind – wiele świetnych komponentów zostaje niezauważonych. Heilind wyraża przy tym pogląd na trendy obowiązujące na rynku oraz na to, co jest ważne przy wyborze czujników, złączy, przełączników, okablowania i akcesoriów do połączonego, inteligentnego domu.

Firma TE Connectivity zaprezentowała gotowy do zastosowania moduł – płytkę zawierającą cztery sensory: ruchu, światła, temperatury i wilgotności. Płytkę można rozbudować dołączając czujniki CO₂, dźwięku oraz lotnych cząstek organicznych (VOC). Czy użycie takiej wieloczujnikowej płytki ma sens dla połączonego, inteligentnego budynku lub aplikacji automatyki budynkowej?

Trendy dotyczące połączonego, inteligentnego budynku

Dalibor Bacic, Menedżer Produktu Technologii Sensorów w firmie dystrybucyjnej Heilind, omawia moduł czujników MS4 z rodziny AmbiMate firmy TE Connectivity jako jeden z przykładów wielkiej liczby nowych rozwiązań. „Czujniki są wytwarzane jako mniejsze, wymagające mniej energii zasilania i są jeszcze bardziej inteligentne. Moduły czujników lub czujniki wielu zmiennych środowiskowych pozwalają na jednoczesny pomiar kilku wielkości fizycznych. Jeśli oszczędność powierzchni oraz redukcja kosztu są pierwszorzędne w aplikacji, można zaakceptować kompromis związany z dokładnością pomiaru”.

Seria modułów MS4 z rodziny AmbiMate firmy TE Connectivity (TE) zapewnia łatwą integrację w urządzeniu-hoście sensorów dla specyficznej aplikacji. Moduły mierzą temperaturę otoczenia, wilgotność względną, natężenie światła, wykrywają ruch oraz opcjonalnie wykonują pomiar natężenia dźwięku i/lub liczby cząstek organicznych lub stężenia CO₂. Moduł przesyła dane za pomocą interfejsu I²C do płytki hosta opracowanej przez klienta.

Moduł sensora TE Connectivity AmbiMate MS4 zawierający 4 czujniki: ruchu, światła, temperatury i wilgotności (źródło: TE Connectivity)

Zespół menedżerów produktu w firmie Heilind doradza klientom podczas wybierania odpowiednich komponentów elektronicznych. Heilind jest jednym z wiodących dystrybutorów złączy, czujników, przekaźników i włączników, jak również materiałów do produkcji i materiałów eksploatacyjnych.

„Na przykład, kiedy konstruktor poszukuje w Internecie czujnika wilgotności, to otrzymuje setki wyników. Dokonanie właściwego wyboru wymaga wiedzy oraz doświadczenia”, mówi Dalibor Bacic. „W rozmowach z klientami, po pierwsze, określamy jasne wymagania aplikacji. Jakie jest przeznaczenie pomiaru? Jak dokładny musi być wynik pomiaru? Jak duża przestrzeń jest dostępna dla czujnika? Czy mierzona jest tylko wilgotność? Zwykle mierzone wielkości są używane do automatycznego sterowania systemem wentylacji. Wówczas ma sens pomiar nie tylko wilgotności, ale również temperatury i stężenia CO₂, ponieważ w ten sposób można bardziej efektywnie określić jakość powietrza oraz wymagania odnośnie do wentylacji. Z tego powodu, sensor wieloczujnikowy jest rozwiązaniem bardzo atrakcyjnym”.

Inteligentne czujniki dla procesów zautomatyzowanych

Dalibor wskazuje, że znacznie wzrosła liczba komponentów przeznaczonych dla procesów zautomatyzowanych. Różnorodne sensory, jak dla przykładu czujniki światła, są coraz częściej integrowane w gotowych pakietach rozwiązań przeznaczonych do automatycznego sterowania oświetleniem, żaluzjami lub inteligentną wentylacją w pomieszczeniu. Czujniki temperatury/wilgotności mierzą parametry środowiska wewnątrz budynku, mając możliwość sterowania otwieraniem/zamykaniem okien lub drzwi do pozycji określnej przez czujniki ich położenia.

Innym przykładem nowego, inteligentnego czujnika temperatury i wilgotności, wyzwalającego zautomatyzowane funkcje jest HTUP21P – anizotropowy, magneto-rezystancyjny włącznik (AMR) produkowany przez firmę Tyco Electronics Sensor Solutions. Na jego wyjściu jest dostępny sygnał analogowy w formacie przebiegu o modulowanej szerokości impulsów (PWM).

Czujniki HTUP21P są przeznaczone do zastosowania w przetwornikach plug&play używanych w aplikacjach OEM. Mierzą wilgotność względną w zakresie 0...100% przy temperaturze otoczenia -40...+125°C (-40...+257°F). Układ czujnika charakteryzuje się bardzo małym poborem prądu – do zasilania wymaga jedynie 0,014 mA przy napięciu 3,8 V. Opracowano go do zastosowania w aplikacjach produkowanych masowo, takich jak systemy kontroli wentylacji pomieszczeń, które dzięki miniaturowym wymiarom czujnika mogą mieć niewielką obudowę i/lub zajmować małą przestrzeń.

Miniaturowy sensor temperatury i wilgotności HTU21P (źródło: Tyco Electronics Sensor Solutions) 

Czujniki wykorzystujące technologię AMR umożliwiają precyzyjny, bezdotykowy pomiar położenia w zakresie temperatury otoczenia -40...+125°C (-40...+257°F). Ich zasada działania opiera się na wykrywaniu zmiany kąta linii pola magnetycznego widzianego przez czujnik. Na wyjściu układu jest dostępny analogowy przebieg wyjściowy PWM. Firma Tyco Electronics Sensor Solutions oferuje różnorodne rozwiązania układów sensorów, zasilane typowym napięciem 5 V, o poborze prądu około 0,5 mA. Technologia AMR jest z sukcesem używana do detekcji obecności, na przykład, do wykrywania najwyższego punktu położenia tłoka w cylindrze w siłowniku pneumatycznym.

Kontynuacja trendu miniaturyzacji

Ze względu na sporą podaż komponentów duże znaczenie w procesie decydowania o wyborze i zastosowaniu konkretnego produktu ma wielkość jego obudowy. „Miniaturyzacja w dalszym ciągu jest trendem obowiązującym w urządzeniach i komponentach przeznaczonych dla połączonego budynku. Wybór miniaturowych komponentów, takich jak złącza, baterie lub gniazda kart nano-SIM jest wręcz przeogromny”, mówi Stefan Schumacher, Lider Zespołu Menedżerów Produktu w firmie Heilind.

Dla połączonego domu, omawia on serie złącz FFC/FPC firmy Molex, złącza HDMI oraz wiązki kabli, miniaturowe złącza USB-C i micro-USB, złącza płytka-płytka, kabel-kabel i kabel-płytka o bardzo gęstym rastrze, gniazda kart pamięci micro-SD/combo oraz gniazda kart SIM i combo SIM/SD.

Złącza Molex FFC (Flexible Flat Cable) / FPC (Flexible Printed Circuit), oferowane w wielu rodzajach, pozwalają na uzyskanie najlepszego kompromisu pomiędzy niezawodnością przekazywania sygnałów, kompaktową budową, przekrojem i rodzajem przewodu połączeniowego oraz stylu jego prowadzenia. Złącza międzypłytkowe Molex SlimStack są dostępne w rastrze od 0,35 do 2 mm i wysokości od 0,6 do 20 mm.

Gniazda kart SIM i gniazda combo produkowane przez Molex pozwalają na uzyskanie niezawodności oraz podwyższonej ochrony karty w urządzeniach użytkowników końcowych, takich jak przenośne aparaty GSM, GPRS, SMS i MMS. Gniazda kart pamięci wytwarzane przez Molex są oferowane w różnorodnych opcjach: combo SD/SIM, mini, micro, nano, block, chip, bar-push, push-pull, push-push, pull-lever, lock, guide i eject, o rastrze od 1,10 do 2,54 mm.

Wśród produktów USB firmy Molex są dostępne złącza typu A, B oraz C: typ C o obciążalności 5 A, micro – 1,8 A i mini – 1 A. Kompaktowe złącza typu C umożliwiają przesyłanie danych z prędkością do 10 Gb/s. Zapewniają przy tym niezawodne, pewne połączenie dla urządzeń IoT, wearable i innych wymagających dużej prędkości transmisji danych.

Dla aplikacji przenośnych firma Keystone oferuje gniazdo baterii 1066, zgodne z normą UL 94V-0. Pozwala ono na pewny kontakt elektryczny i mocowanie baterii. Dzięki niemu jest zapewnione bezprzerwowe zasilanie aplikacji w zakresie temperatury pracy -50…+146°C (-60…+296°F), podczas uderzenia, upadku i przy występowaniu wibracji.

Podstawka baterii typu 1066 firmy Keystone 

Transmisja danych przewodowa czy bezprzewodowa?

Odpowiedź na pytanie czy elementy połączonego domu powinny komunikować się za pomocą przewodów, czy też bezprzewodowo coraz bardziej skłania się w stronę rozwiązań bezprzewodowych. Rosnąca niezawodność połączenia radiowego w rozumieniu prędkości transmisji danych oraz ich bezpieczeństwa pozwala na opracowywanie wielu protokołów używanych w licznych aplikacjach IoT przeznaczonych dla połączonego, inteligentnego budynku.

„Dostępne są różne koncepcje włączając w to WLAN, Bluetooth oraz LTE. Rozwiązania energooszczędne (LPWA, Low Power Wide Area), takie jak NB-IoT (Narrrow Band-IoT) lub LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) również są brane pod uwagę, gdy jest potrzeba przesyłania niedużej ilości danych na sporą odległość”, wyjaśnia Dalibor Bacic. „Kluczowym wyzwaniem w urządzeniu bezprzewodowym, mającym ogromny wpływ na jego niezawodność, jest sposób wykonania oraz zintegrowania anteny. Powinny być przy tym brane pod uwagę ograniczenia występujące w urządzeniu docelowym. Są wśród nich pozycja anteny na płytce, materiał obudowy oraz bliskość źródeł mogących zaburzać sygnał radiowy. Ponadto, każde rozwiązanie bezprzewodowe wymaga zapewnienia bezpieczeństwa danych. Rozwiązania transmisji radiowej zostały w tym zakresie bardzo dobrze sprawdzone i jako ich dystrybutor mamy dostęp do wyników badań udostępnianych przez producentów”, mówi Dalibor.

Anteny szerokopasmowe firmy Molex przeznaczone do montażu na płytce drukowanej stanowią rozwiązanie zapewniające efektywną transmisję danych oraz obniżenie całkowitego kosztu implementacji interfejsu radiowego. Seria anten 146184, o temperaturze pracy w zakresie -30…+85°C, ma całkowitą sprawność powyżej 70% w zakresie od 3 do 6 GHz przy impedancji 50 Ohm. Antena jest wyposażona w kabel koncentryczny o długości 50, 100, 150, 200, 250 lub 300 mm zasilający środkową część anteny. Może on być ciągnięty z siłą 18 N bez niebezpieczeństwa przerwania połączenia elektrycznego. Wysoka jakość wykonania zapewnia trwałość, niezawodność i łączność w każdych warunkach.

Antena z serii 146184 - Seria anten 146184 firmy Molex jest przeznaczona do pracy przy dużej częstotliwości. Dostępne są anteny przeznaczone do pracy na dwóch zakresach fal. Kabel połączeniowy ma długość 50, 100, 150, 200, 250 lub 300 mm (źródło: Molex)

Użycie komponentów w aplikacji

Po tym, jak właściwy komponent zostanie odnaleziony na etapie projektowania rodzą się kolejne pytania. „W przypadku modułu radiowego jest to bliskość źródeł interferencji, natomiast dla czujników temperatury i wilgotności jest to problem bliskości źródeł ciepła. Nasi menedżerowie produktu mają duże doświadczenie zdobyte przy wspólnej pracy nad aplikacjami klientów”, mówi Andreas Haas, Menedżer Produktu Elektromechanicznego, opisując zakres usług doradztwa technicznego dostępnego w firmie Heilind.

Dodatkowo do usług projektowania, Heilind oferuje również złącza dostosowane do potrzeb klienta, próbki lub indywidualne zestawy komponentów bazujące na listach części (kompletacja). Andreas Haas dodaje, że „Aktualnie Heilind silnie inwestuje w rozszerzenie swojej obecności w Niemczech, Europie Wschodniej oraz Azji. Jest to korzystne dla klientów, którzy opracowują produkt w Niemczech, a następnie produkują go w Europie Wschodniej lub w Azji. Aktualnie mamy więcej niż 40 lokalizacji na całym świecie i dlatego jesteśmy dobrze reprezentowani jako dystrybutor blisko zakładów produkcyjnych klientów”.

W magazynie Heilind: W Niemczech firma Heilind konfekcjonuje złącza Souriau oraz Amphenol. Dystrybutor ma magazyn materiałów i może dostarczać złącza nawet w ilości pojedynczej sztuki w bardzo krótkim czasie.