W aplikacjach związanych z automatyzacją procesów oraz produkcją żywności i napojów, dane uzyskiwane np. z różnych czujników zamkniętych w metalowych zbiornikach, kadziach, rurach itp. muszą być często przesyłane na zewnątrz. Nasuwa się więc zasadnicze pytanie: jak przesyłać dane do i z takich struktur bez wiercenia otworów? Odpowiedzią TDK jest Acoustic Data Link.

Zamknięte metalowe pojemniki, rury i inne podobne struktury tworzą klatkę Faradaya skutecznie blokującą sygnały elektromagnetyczne. Jest to więc bariera uniemożliwiająca konwencjonalną bezprzewodową transmisję danych. Firma TDK opracowała tutaj skuteczne rozwiązanie, czyli Acoustic Data Link (ADL).

Zespół, który pierwotnie wprowadził technologię ADL w 2021 r., rozwinął ją w celu zapewnienia niezawodnej i łatwej implementacji w różnych aplikacjach, takich jak monitorowanie danych z czujników. Technologia ta może obsługiwać szybkości transmisji danych 11 kbps zużywając moc 30 mW.

Sercem systemu ADL jest nowo opracowany przetwornik piezoelektryczny, zwany łączem ADL (rys. 1). Dwa takie elementy – po jednym z każdej strony jednorodnej metalowej płyty – tworzą kanał akustyczny i działają jako przetworniki (rys. 2). W trybie nadawania zamieniają sygnały elektryczne na kierunkowe drgania mechaniczne, natomiast w trybie odbioru przetwornik zamienia fale akustyczne z powrotem na sygnały elektryczne. Nie mniej istotne, niż samo przesyłanie danych, jest zasilanie wewnętrznego czujnika. W tym przypadku nałożona ciągła fala sinusoidalna z jednego łącza ADL jest przekształcana na napięcie elektryczne przez przetwornik znajdujący się po drugiej stronie.

Rys. 1. Piezoelektryczne łącza ADL działają jak przetworniki i zamieniają sygnały elektryczne na kierunkowe drgania mechaniczne i odwrotnie

Rys. 2. Dwa łącza ADL umieszczone po każdej stronie jednorodnej płyty metalowej tworzą kanał akustyczny, który przesyła dane i energię przez metalowe ściany

ADL i NFC – idealne dopasowanie

Głównymi celami rozwojowymi dla ADL są: efektywny i bezpieczny transfer danych, zastosowanie ustalonego protokołu danych NFC, niezawodne zasilanie i elementy, które umożliwiają inżynierom lub integratorom RF łatwą konfigurację kanału akustycznego.

W materiałach stałych występują określone rezonanse fal akustycznych. Są to najczęściej rezonanse wąskopasmowe na wielokrotnościach długości fali akustycznej. Przy częstotliwościach pomiędzy tymi rezonansami sygnały akustyczne są w dużym stopniu tłumione.

Element piezoelektryczny wewnątrz łącza ADL również rezonuje, ale ze względu na właściwości elastycznego materiału warstw pośrednich i kleju, superpozycja tych modów tworzy kanał transmisji akustycznej o stosunkowo płaskim paśmie przepustowym między 10 a 14 MHz. Umożliwiło to inżynierom TDK stworzenie akustycznego pasma przepustowego, wystarczająco szerokiego do niezawodnej transmisji danych i obejmującego częstotliwość używaną przez standard Near Field Communication (NFC) – 13,56 MHz. Do transmisji danych w systemie ADL dopuszczalne więc stało się zastosowanie protokołu NFC. W tych warunkach możliwy jest transfer danych z szybkością około 11 kbps, wraz z ustalonym bezpieczeństwem danych tego protokołu.

Stopień zaawansowania technologii NFC przekłada się bardzo korzystnie na utrzymanie niskich kosztów komercyjnych. Do dyspozycji są na przykład gotowe chipsety NFC.
ADL jako skalowalne rozwiązanie

Transfer mocy z ADL wynosi do 10mA przy 3V, tj. około 30mW. Inżynierowie zademonstrowali w prototypach jednoczesne zasilanie i gromadzenie danych dla ponad dziesięciu różnych czujników monitorujących temperaturę, ciśnienie, wilgotność i przyspieszenie. Rozwiązanie działa w szerokim zakresie temperatur od –40°C do +105°C.

Prędkości transmisji danych 11 kbps i transfer mocy 30mW nie są jednak wartościami maksymalnymi. Parametry te są powiązane z zastosowaniem protokołów NFC. Sam kanał ADL może obsługiwać pasmo do 2 MHz, a to przekłada się na uzyskiwanie prędkości transferu danych w zakresie megabitów na sekundę. Wstępne wskazania sugerują, że powinien być możliwy transfer mocy 100 mW.

Rys. 3. Demonstrator ADL pokazujący, jak dane i moc są przesyłane w obu kierunkach do ciśnieniowej i hermetycznie zamkniętej rury

Nowa technologia ADL, choć jeszcze nieskomercjalizowana, jest testowana przez przedsiębiorstwa komercyjne w zastosowaniach takich jak instalacje rurowe do wykrywania ciśnienia i nieszczelności oraz w takich, gdzie wymagany jest bezpieczny dostęp do czujników lub urządzeń gromadzących dane w konstrukcjach metalowych (rys. 3). W przypadku aplikacji służących do przechowywania danych, technologia NFC zapewnia, że dostęp do nich jest ograniczony tylko do osób upoważnionych. Jest to realizowane poprzez skuteczne kontrole tożsamości, do czego NFC jest przystosowany.

Podsumowanie

Acoustic Data Link może działać w każdej aplikacji, w której nie ma możliwości nawiązania przewodowego połączenia danych lub w której wymagana jest nieinwazyjna integracja czujnika.

Firma TDK zaprasza do współpracy partnerów i użytkowników, którzy byliby zainteresowani zastosowaniem i przetestowaniem technologii w swoich konkretnych aplikacjach.

Kontakt: jaroslaw.kepinski@tdk.com 

Autor artykułu: Volker Wischnat, TDK Customer Development Lead