PowerPoint-presentatie

1

• Smart Systems
• Introduction
• Black box thinking
• The concept of information
• Smart and usability
• Systemthinking
• Components
• Sensors
• Actuators
• Controls
• Motivators
• Sending and receiving
• Processing
• Power-supply

2
1.     The concept of smart systems In geen
enkel woordenboek een definitie te vinden Daarom
zelf een definitie verzinnen. Letterlijk
slimme producten Kunnen producten überhaupt
slim zijn? Uiteindelijk doet een product n iet
anders dan hetgeen de mens erin heeft
geprogrammeerd. Andere invalshoek
Ondersteunt een product de menselijke
slimheid? d.w.z Neemt het mentale taken van
de mens over? Wij ontwikkelen voortdurend nieuwe
technische functies die allemaal moeten worden
bediend. Dit is nauwelijks nog mogelijk.
3
De technologische omwikkelingen stagneren op het
punt van bedienbaarheid. Een moderne jumbojet
is niet meer door mensen te bedienen. De mens is
te traag, zijn zintuigen te beperkt en zijn
geheugen te onbetrouwbaar. Daarom zijn in een
jumbojet vele taken overgenomen door de machine.
Het vliegtuig is, deels, een intelligent product
geworden. Helaas, wat voor een jumbojet geldt,
geldt ook voor een simpele wekkerradio. Die hulp
in verpakt in de zogenaamde human interface
een systeem waarmee de mens met het product
communiceert. Intelligentie van het systeem kan,
bijvoorbeeld, schuilen in het feit dat het
product merkt dat het met een onervaren gebruiker
te maken heeft en een gemakkelijker, maar
tijdrovender bedieningsmethode aanbiedt. Autonome
producten versus intelligente producten Een
intelligent product is autonoom als het geen
inbreng van de mens nodig heeft om te
functioneren.
4

• Inhoud van de cursus
• Uitgangspunten
• - systeemdenken,
• black box
• functie/blok diagram
• systeemontwerp
• Technotheek
• Doel praktisch inzicht verkrijgen in de
  mogelijkheden en beperkingen van het toevoegen
  van intelligentie aan alledaagse producten.
• Breedte is belangrijker dan diepte.
• Hoe de componenten precies werken is niet van
  belang.
• Men zou er net zoveel van moeten weten om te
  kunnen beslissen of toepassing zinvol is.  

5
De black box   Alle processen zijn terug te
brengen tot een eenvoudige black box. Hierin is
er sprake van input en output. Binnen de black
box vindt er een zogenaamd transformatieproces
plaats hetgeen niet meer inhoudt dan dat de
output in meer of mindere mate anders is dan de
input. Als voorbeeld nemen we een
koffiezetapparaat. De input bestaat uit water,
elektrische energie, gemalen koffie en een
filterzakje. De output bestaat uit warme koffie
en een vervuild zakje met koffiedik.
Water Energie Koffie filterzakje
Verse koffie Zakje met koffiedik
Koffiezetten
6
De black-box is een middel om een zogenaamd
doelontwerp te formuleren. Een doelontwerp
staat tegenover een middelontwerp dat de
eigenlijke realisatie van een black box
betreft. Voor een koffiezetapparaat is het
gemakkelijk om een nieuw doelontwerp te maken In
feite is dit het doelontwerp van de Senseo Crema
van Philips. Je kunt hieraan zien dat een
simpele verandering in het doelontwerp tot een
enorm commercieel succes kan leiden.
Water Energie Koffiepad
Verse koffie Vervuilde pad
Koffiezetten
7
Laten nu we het denken in black-boxes toespitsen
op smart products. In feite gaat het bij smart
products altijd om hetzelfde. Behalve om materie
en energie gaat er altijd informatie in en
behalve materie en energie komt er altijd
informatie uit. Het black-box diagram ziet er dan
als volgt uit
Energie Materie Informatie
Energie Materie Informatie
Smart product
We kunnen nu pas de mogelijkheden van smart
products definiëren als we het begrip informatie
wat beter definiëren. Informatietechnologie is
weliswaar een bekende term, maar helaas is het
niet zo dat iedereen die dit woord gebruikt heeft
nagedacht wat dit begrip inhoudt. Daarom gaan we
hier in de volgende paragraaf wat dieper op
in.  
8

• Het begrip informatie
• Er bestaat diverse definities van het begrip
  informatie.
• Aangrenzende begrippen
• gegevens,
• kennis,
• data,
• gegevens.
• Data eenheden die een bewerking nodig hebben
  om nut te hebben
• Gegevens bewerkte data
• Informatie geanalyseerde gegevens
• Kennis de capaciteit om informatie toe te
  passen.

9
(No Transcript)
10
1.   Systeemdenken De intelligente
stoeptegel. Wat voor soort informatie kan
binnenkomen in de stoeptegel. licht, geluid,
trilling, radiogolven, mechanische druk,
luchtdruk, warmte, enzovoort. Kunnen we ook
zinvolle zaken voor de outputzijde bedenken.
Nadat de eerste hilariteit over het idee
intelligente stoeptegel was weggeëbd, kwamen de
eerste ideeën binnen. Het eerste idee was om de
tegel als toets voor een toetsenbord te
gebruiken. Iedere voetstap resulteert hierbij in
een letter op de muur. Hiermede was een smart
product geboren. De black-box komt er als volgt
uit te zien.
Black-box
Voetstap
Letter op de muur
11
Het externe systeem De tegels worden neergelegd
in de vorm van een qwerty toetsenbord waarbij
elke tegel een uniek radiosignaal uitzendt op
basis van waarneming van een voetstap op de
tegel. Deze waarneming kan, bijvoorbeeld
plaatsvinden via een capacitatieve sensor.
Hierbij wordt een stroompje opgewekt d.m.v.
verandering van de capaciteit van een condensator
als gevolg van de nabijheid van een zogenaamd
diëlektricum in de vorm van een voet.. Het
outputsignaal is een radiosignaal dat opgevangen
wordt door een andere black box dat als output
een zogenaamde informatie string levert aan een
standaard display die op zn beurt als black box
te beschouwen is. Het systeem komt er als volgt
uit te zien
12
Laten we de tegel nauwkeuriger bestuderen. We
weten inmiddels dat er een capacitatieve sensor
in moet zitten. Daarnaast weten we dat er een
zender in moet zitten. Om een zender te kunnen
laten werken hebben we energie nodig. Om die
zender nachts te laten werken hebben we
energieopslag nodig. De black box komt er
derhalve al wat ingewikkelder uit te zien In
feite hebben we het systeem op deze wijze al
redelijke uitgewerkt.
13
(No Transcript)
14

• Componenten
• Uitgangspunt van de behandeling hiervan vormt de
  volgende stelling
• -         Vroeger maakten we ingewikkelde
  samenstellingen met eenvoudige componenten
• - Nu maken we eenvoudige samenstellingen
  met ingewikkelde componenten
• Deze componenten zijn globaal in acht
  hoofdgroepen te verdelen
• -         sensoren
• -         controls
• -         ontvangers
• -         processoren
• -         actuatoren
• -         motivatoren
• -         zenders
• voedingen

15

• Mechanisch
• Positie
• Verplaatsing (lineair, rotatie)
• Snelheid (lineair, rotatie)
• Versnelling (lineair, rotatie)
• Trilling
• Nabijheid (Proximity)
• Afstand
• Torsie
• Druk

16

• Optisch
• Intensiteit
• Beeld (Vision)
• Infrarood
• Reflectie
• Doorlaatbaarheid
• Scattering (Verstrooiing)
• Interferentie
• Polarisatie
• Brekingsindex
• Spectrometrie

17

• Massastroming
• Dichtheid (soortelijk gewicht)
• Flow (massa per tijdseenheid)
• Viscositeit (vloeibaarheid)
• Massa
• Oppervlaktetoestand

18

• Elektrisch/magnetisch
• Spanning
• Stroom
• Impedantie/Weerstand/Geleiding
• Elektrisch/Magnetisch Veld
• Magnetisering
• Polarisatie

19

• Akoestisch
• Intensiteit
• Frequentie (Toonhoogte)
• Frequentieverschuiving
• Interferentie
• Imaging (Ultrasoon)

20

• Chemisch
• Concentratie
• pH
• Enzymen
• Ionen
• Gas

21

• Thermisch
• Temperatuur
• IR beeldopname

22

• Enige voorbeelden van toepassingen voor de
  verschillende sensoren zijn
•  
• Chemisch Geursensor, CO2 (uitlaatgas,
  gasdetector)
• Optisch CCD (in cameras)
• Thermisch NTC weerstand, thermokoppel, Peltier
  element
• Akoestisch (mini)microfoons
• Stroming Fan flowopnemer (rotating)
• Mechanisch Piëzo sensor, rekstrookje.

23

•  
• Wat moet er gemeten worden?
•         De variabele (temperatuur, druk, etc.)
•         De nominale waarde
•         Het (meet)bereik
•         De nauwkeurigheid
•         De meetsnelheid
•         De betrouwbaarheid
•         Omgevingscondities
• 2. Wat voor soort output hebben we nodig, welke
  vorm van signaalverwerking?

24

• 3. Welke sensoren komen in aanmerking
•         Bereik
•         Nauwkeurigheid
•         Snelheid
•         Betrouwbaarheid
•         Onderhoudbaarheid
•         Levensduur
•         Vermogensgebruik
•         Beschikbaarheid / levertijd
•         Sterkte / robuustheid
• Kosten

25

• Actuatoren
•  
• Voorbeelden
•  
• Optisch Lamp / verlichting
• Thermisch verwarmingselement
• Akoestisch ultrasoon reiniger
• Vloeistof mixer
• Mechanisch motor (lineair, rotatie), relais

26
1.      Actuatoren Voorts worden allerlei
fysische verschijnselen onderzocht om vanuit
elektrischeenergie actie te genereren -       
              Met piëzo elementen kan men
elektrische energie omzetten naar uiterst kleine
maar krachtige bewegingen. Deze bewegingen kan
men groter maken gebruikmakend van hefbomen en
hydraulica. -                     Met Peltier
elementen kan men elektrische energie omzetten in
een temperatuurverschil. Kleine koelkasten in
autos werken met Peltier-elementen, maar deze
zouden voor veel meer doeleinden bruikbaar kunnen
zijn. Op basis van chemische reacties
werkt een van de meest spectaculaire actuatoren
de airbag, die overigens te beschouwen is als een
volledig autonoom intelligent product. Daarin
wordt vanuit een versnellingssensor een chemische
reactie aangestuurd waarmee in milliseconden een
ballon opgeblazen wordt.
27

•  Controls
• Voorbeelden
• handels
• drukknoppen
• toetsen
• draaiknoppen
• schakelaars
• voetschakelaars
• pedalen
• stuurwielen
• enzovoort

28

• Motivatoren
•  
• Niet altijd zal het systeem zelf een actie
  ondernemen, maar de bedienaar ertoe aanzetten om
  een actie te ondernemen. In dit geval noemen we
  een output device geen actuator maar een
  motivator. Voorbeelden daarvan zijn
•  
• Optisch LEDs, displays
• Akoestisch luidsprekers, trillers
• Tactiel brailledisplays

29

• Ontvangers / zenders
• Een aparte groep bij de sensoren / actuatoren
  vormen eigenlijk de zenders en ontvangers. Op
  zich eigenlijk complete systemen met een input en
  een output. Vaak worden ze gebruikt als sensor
  (ontvanger) of als actuator (zender).
• optische zenders (denk aan de afstandsbediening
  van uw TV),
• akoestische zenders (Sonar) en
• elektromagnetische zenders (Radio/TV,
  afstandsbediening garagedeur).
• Elk van deze heeft ook zijn tegenhanger als
  ontvanger.
• Vrije frequentiebanden de golflengte waarop
  bijv. uw magnetron werkt of de bluetooth
  verbinding tussen uw (laptop) computer en uw PDA
  of mobiele telefoon.
•  
• Protocols Zenders en ontvangers kunnen met een
  protocol werken, een set afspraken voor de
  verbinding waardoor bijv. zender en ontvanger
  elkaar eerst kunnen herkennen voor de
  informatie uitwisseling begint.

30
Processoren

• Doel output van een systeem nader te be- of
  verwerken
• (kan deze processor deel uitmaken van het
  systeem zelf)  
• Soorten
• PLC Programmable Logic Controller. Relatief
  eenvoudige sequenties van handelingen /
  besturingen naar aanleiding van gebeurtenissen
  kunnen hiermee geprogrammeerd worden om zo een
  breed scala van machines of (eenvoudige)
  systemen te automatiseren.
• echte processoren  vereisen en produceren
  digitale gegevens, dus moet gecombineerd worden
  met analoog naar digitaal en digitaal naar
  analoog omzetters, omdat de wereld waarin wij
  leven nu eenmaal analoog is. Er zijn algemene en
  speciale processoren.
•  

31
Algemene processoren Pentium en AMD processoren
uit PCs en speciale kleinere en
energiezuinigere processoren als de ARM
(toegepast in veel PDAs) Verder
Microcontrollers Kleine systeempjes op
zichzelf, meestal onboard voorzien van geheugen
voor programma-opgeslag en, bovendien,
standaard in- en outputpoorten. Deze
microcontroller zijn speciaal ontworpen voor de
inbouw in intelligente systemen PIC en TINI
algemeen programmeerbare processoren met
specifieke eigenschappen, zeer geschikt voor
toepassing in smart products. Speciale
processoren Bijvoorbeeld de Digital Signal
Processor (DSP), ontworpen voor het verwerken
van signalen in MP3 spelers, TV-apparaten en
dergelijke.
32

• Voedingen
• Alle smart products hebben energie nodig om te
  kunnen werken.
• Opties
• - aansluiting op het elektriciteitsnet
• het gebruik van al dan niet oplaadbare batterijen
  
• Nadelen aan het gebruik van batterijen of accus
• Een beperkte energievoorraad,
• een beperkt aantal laad/ontlaadcycli,
• een beperkte levensduur,
• hoge kosten,
• Milieuonvriendelijk.

33

• Alternatief het zelf opwekken van energie
• Mogelijkheden licht. (zonnecellen in prijs
  gedaald)
• Nadeel bij afwezigheid van licht toch opslag
  in accu nodig
• Alternatief opslag in
  supercondensatoren.
• Voordelen
• een veel langere levensduur,
• een onbeperkt aantal laad- en ontlaadcycli,
• maar een relatief beperkt vermogen,
• dus alleen in energiezuinige apparatuur te
  gebruiken.
• Gelukkig wordt elektronica steeds energiezuiniger
  !

34

• Alternatieve energiebronnen
• warmteverschillen
• Met behulp van de eerder genoemde Peltier
  elementen kan, niet alleen elektrische
  spanning omgezet worden in een
  temperatuurverschil, maar het omgekeerde, een
  warmteverschil kan omgezet worden in een
  elektrische spanning.
• radiozenders
• Tenslotte kan men ook de energie van een
  radiozender opvangen en opslaan. Toegepast in
  RFDs (radio frequency devices, ook wel
  aangeduid met termen als transponders en
  tags.)
• Toepassingen winkeldiefstal beveiliging,
  toegangssystemen, veeherkenning.
•  human power
• Opwindbare radios en scheerapparaten
• Intelligente deurdranger
• Fietsdynamo

35
Tenslotte Drie vragen zijn van wezenlijk
belang. 1.            Kan, door middel van
intelligentie, toegevoegde waarde aan mijn
product worden gegeven? (waarbij de opbrengsten
meer zijn dan de kosten) 2.            Ben ik als
organisatie in staat dergelijke producten te
ontwikkelen, te verkopen, te maken, te
distribueren en te servicen? 3.            Met
wie moet ik samenwerken om dergelijke producten
te kunnen ontwikkelen, verkopen, maken,
distribueren en servicen? (waarbij het niet hoeft
vast te staan bij welk van deze activiteiten het
zwaartepunt van uw bedrijf komt te liggen.  Het
cursusdeel van het project slimme producten is
met name gericht op beantwoording van vraag 1.
Daarna gericht op het onderzoeken van de
concrete mogelijkheden Rol Syntens
bemiddeling tussen U en mogelijke partners. Rol
Hogeschool van Utrecht concrete ontwikkeling
van applicaties.
36
De Hogeschool biedt haar diensten op dit terrein
aan via het Ontwerpcentrum waarin diverse
diensten kunnen worden onderscheiden -        
Onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten door
vaste staf van het Ontwerpcentrum -        
initiatie themaprojecten waarbinnen groepen
studenten een achttal weken, 20 uur per week,
aan en project kunnen werken -        
bemiddeling stages -         bemiddeling
afstudeerprojecten -         ter
beschikkingstelling van faciliteiten, waaronder
-               elektronicawerkplaatsen -        
       clean room -              
prototypewerkplaatsen -              
ontwikkelingssoftware  contactpersoon ir. W.A.
Poelman, lector Product Design Engineering.