Ein neuartiges, multimodales Baukastensystem aus Sensoren und intelligenter Auswerteelektronik mit integrierter KI ermöglicht jetzt eine schnellere und effizientere Sensofizierung und Produktrealisierung, speziell für die Märkte LifeScience, Medizintechnik und BioTech.

Die Karriere eines Entwicklers oder einer Entwicklerin wird meist schon in jungen Jahren geprägt. Zum Geburtstag oder zu Weihnachten gibt es die ersten Baukästen, mit denen spielerisch das Zusammenbauen der ersten Modelle von Gebäuden oder Fahrzeugen erlernt wird. Später im Beruf am Schreibtisch steht man vor der Herausforderung für Produkte mit zunehmender Komplexität möglichst schnell optimale Lösungen zu finden, die – insbesondere auch für neue Anwendungen wie im Internet of Things (IoT) – mehrere verschiedene Sensorelemente und eine autarke Energieversorgung benötigen.

Hier kommen die Partner accensors und GED Gesellschaft für Elektronik und Design mit ihren bahnbrechenden neuen Entwicklungen ins Spiel. Gemeinsam wurde das Know-how aus der langjährigen Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und ihren eigenen Erfahrungen vereint, um Entwicklern eine Baukastenlösung anzubieten, die eine Integration von Sensoren und Auswerteeinheiten mit entsprechender Energieversorgung erheblich erleichtert.

Die Idee: Ähnlich wie die Hersteller der Baukästen, die unsere Kindheit geprägt haben, setzen accensors und GED auf ein multimodales Baukastensystem. Dieses System besteht aus einzelnen Sensoren sowie Elektronik- und Softwaremodulen, die sich individuell zusammenfügen lassen, um kundenspezifische Sensorsysteme und Auswerteeinheiten zu realisieren. Das Ergebnis ist eine schnelle, kosteneffiziente Lösung für die Herausforderungen der Sensorintegration in Industrie-4.0-Anwendungen für die Entwicklung von Cyber-physischen Systemen (CPS) mit einem deutlich schnelleren „Time to Market“.

accensors SMD Foliensensoren: Innovative Sensoren, einfach wie Sticker

Die sensorische Komponente dieses Systems bilden die hochmodernen SMD-Foliensensoren von accensors. Diese Sensoren ermöglichen es, präzise Messungen durchzuführen, indem sie wie Sticker einfach aufgeklebt werden. Mit einer Größe von nur 7,60 mm x 5,60 mm und einer aktiven Messfläche von Ø 2,5 mm bieten sie eine bemerkenswerte Leistung auf kleinstem Raum. Diese Sensoren sind ready-to-use und können problemlos an verschiedenen Kontaktierungspunkten angebracht werden, um eine Vielzahl von Parametern wie pH-Wert, Temperatur, chemische- und bioelektrische Größen zu messen. Dank additiv hergestellter Sensortechnologie ermöglicht accensors eine einfache Massenproduktion, welches die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der Sensoren erhöhen. Die Flexibilität dieser Sensoren macht Messungen auch abseits von starren PCBs möglich, was ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Branchen wie der Medizintechnik, Biotechnologie und Lebensmittelindustrie erweitert.

GED SensorNode: Konfigurierbares Sensor-Modulsystem

GED ergänzt mit dem SensorNode Hard- und Software Baukasten die Möglichkeit für die einfache Konfiguration eines miniaturisierten leistungsstarken Multi-Sensorsystems. Mit Steckmodulen, die nicht größer wie ein Stück Würfelzucker sind (16x 18 mm), ist der GED-SensorNode äußerst kompakt und kann selbst in engsten Bauraumverhältnissen eingesetzt werden. Dank integriertem Bluetooth-Funk, Akku sowie optionalem Energy Harvesting sind keine Kabel notwendig. Neben dem Controller- und Energiemodul stehen weitere Module mit

MEMS-Sensoren zur Verfügung, wie Gyro- und Beschleunigungssensor, akustische- und optische Sensoren, Kraft- und Drucksensoren, die ein  breites Spektrum an hochintegrierter Sensorfunktionalität abdecken. Das neueste Modul ist das Messmodul für die amperometrische-voltametrische Messung und Impedanzmessung, welches auf einem hochintegrierten ASIC-Baustein basiert. Für die Echtzeitübertragung auch in rauer Umgebung stehen Module mit Drahtschnittstellen für I2C, USB und das neue Single Pair Ethernet (SPE) zur Verfügung. Die Module können nach Bedarf zusammengesteckt werden und konfigurieren sich selbstständig über Plug & Play.

Der zugehörige dritte Baukasten für die Softwaremodule besteht aus der Embedded Software mit Konfigurierbarkeit des Sensor-Frontends über die Draht- oder die BLE-Schnittstelle. Mit der „SN-App“ können Multi-Sensorwerte sowie Alarmierungen per Smartphone oder Tablett direkt an den Bediener übermittelt werden. Für die lokale Bedienung und Datenanzeige dient die SN-Hostsoftware, die auf dem PC läuft. Die Embedded Software des SensorNode verfügt über eine leistungsstarke, programmierbare Multisensor-Datenvorverarbeitung sowie zuschaltbare spezielle Datenfilter. Mit diesen innovativen Funktionen lasen sich die Datenmengen im Netz und auf den Servern erheblich reduzieren. Das bietet auch eine optimale Basis bei multisensorische Anwendungen für „Predictive Maintenance“.

„KI on the Edge“ Framework

Mit dem vierten Baukastenmodul „AIfES“ können Funktionen für die Künstliche Intelligenz und dem Machine Learning  programmiert werden, die lokal auf dem 32bit SensorNode Mikrocontroller laufen. Die Basis ist ein Feedforward Neural Network (FNN), welches in nahezu allen Parametern konfigurierbar ist und auch tiefe Netzstrukturen ermöglicht. Das Künstliche Neuronale Netz (KNN) wird nur mit einer Hauptfunktion konfiguriert und berechnet. Regressions- und Klassifizierungsaufgaben sind möglich. Der Netzaufbau kann an die aktuelle technische Aufgabe angepasst werden. AIfES steht für „Artificial Intelligence for Embedded Systems“, ein AI-Framework vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, und wurde im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts KiNo gemeinsam vom IMS und GED auf den Mikrocontroller des SensorNode portiert.

Übersicht der Ki:

-Anzahl der Inputs und Outputs sind frei definierbar

-Anzahl der Hidden-Layer und der Neuronen pro Layer sind frei definierbar.

-Unterschiedliche Aktivierungsfunktionen mit Zusatzparametern: Sigmoid, Softsign, ReLU, PReLU, Softmax

Partner für die Zukunft der Sensorfizierung

Die Partnerschaft zwischen accensors und GED ermöglicht es Entwicklerinnen und Entwicklern jetzt, hochpräzise Sensoren und innovative Mess-, Auswertungs- und Datentransferelektronik schnell und kostengünstig zu konfigurieren. GED bietet umfassende Unterstützung bei der Anpassung des SensorNode an kundenspezifische Anforderungen. Dieses Baukastensystem eröffnet eine aufregende Zukunft für die Sensorimplementierung, in der Kreativität und Technologie miteinander verschmelzen. Die Idee der Spielzeug-Baukästen ist nun mit der Technologie verbunden, um eine Welt mit intelligenteren, sensorgestützten Produkten in kürzester Zeit zu realisieren.

Weiter Informationen zu accensors finden Sie hier.

Dieser Artikel ist im Dezember 2023 in der Fachzeitschrift „Markt und Technik“ erschienen. Den Originalartikel finden Sie hier zum Download.