Датчики и сенсорные устройства в логистических системах

1.

ЛЕКЦИЯ 5
Датчики и сенсорные
устройства в логистических
системах
Модуль II. Интернет вещей и сенсорные сети в логистике
25-О-B-KV-ALP «Автоматизация логистических процессов»
Образовательная программа 6В11369 «Логистика (по отраслям)»
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1

2.

Цель лекции
Место темы в модуле и профессиональной подготовке логиста
Цель
Сформировать
системное понимание
принципов работы,
классификации,
выбора и интеграции
датчиков в
логистические IoTсистемы.
Профессиональный контекст
• мониторинг состояния груза и среды
• прослеживаемость транспорта и складских объектов
• раннее выявление отклонений и инцидентов
• интеграция данных с WMS, TMS и аналитикой
• оценка эффективности и стоимости владения
Компетентностный акцент
обоснование технического решения
для реального процесса
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2

3.

Задачи обучения и ожидаемые результаты
После лекции студент объясняет, сравнивает, выбирает и проектирует
ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ
• раскрыть физические принципы измерения
• классифицировать сенсорные устройства
• показать архитектуру сбора и передачи
данных
• рассмотреть метрологию, надёжность и
безопасность
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
LEARNING OUTCOMES
• различать типы сенсоров по назначению
• сопоставлять характеристики с условиями
эксплуатации
• обосновывать канал связи и энергопитание
• предлагать схему интеграции и KPI
мониторинга
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3

4.

План лекции
Семь взаимосвязанных вопросов
1
Датчик как элемент логистической IoT-системы
2
Классификация и измерительные характеристики
3
Температура и влажность
4
Движение, вибрация и положение
5
Расстояние, уровень и присутствие
6
Связь, питание, интеграция и безопасность
7
Выбор, экономика и отраслевые применения
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
4

5.

Базовые понятия
Термины задают границы инженерного решения
Датчик
первичный преобразователь физической величины в измерительный сигнал
Сенсорный узел
датчик, обработка сигнала, питание и интерфейс связи
Измерительная система совокупность устройств, методов и ПО для получения результата
IoT-устройство
подключённый узел с идентификацией, обменом данными и управлением
Сенсорная сеть
распределённые узлы, совместно наблюдающие объект или среду
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
5

6.

Архитектура сенсорной логистической системы
От физического параметра к управленческому действию
ФИЗИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ
СЕНСОРНЫЙ УЗЕЛ
СЕТЬ
ПЛАТФОРМА
ПРОЦЕСС
груз ·
транспорт ·
склад
измерение ·
фильтрация
BLE ·
LoRaWAN ·
NB-IoT
хранение ·
правила · API
WMS/TMS ·
тревога ·
действие
Замкнутый контур: измерить → интерпретировать → решить → воздействовать
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
6

7.

Классификация датчиков
Один сенсор можно классифицировать сразу по нескольким признакам
Измеряемая
величина
Принцип действия
температура, влажность, давление, ускорение,
расстояние
резистивный, ёмкостный, оптический,
пьезоэлектрический
Выходной сигнал
Контакт с объектом
аналоговый, цифровой, дискретный
контактный или бесконтактный
Питание
Размещение
активный, пассивный, с автономным источником
стационарный, мобильный, носимый, встроенный
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
7

8.

Измерительная цепь
Качество результата зависит от каждого звена
1
2
3
4
5
6
Физическая
величина
Чувствительный
элемент
Преобразование
Обработка
Передача
Интерпретация
температура, ускорение
реакция на воздействие
напряжение, ток, код
фильтрация и
компенсация
пакет данных и
метаданные
порог, событие,
решение
Ошибка итогового решения может возникнуть из-за неверного места установки,
дрейфа, потери пакета или ошибочного порога, даже если сам чувствительный
элемент исправен.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
8

9.

Основные метрологические характеристики
Точность не равна разрешению, а повторяемость не гарантирует отсутствие смещения
1
Диапазон
минимум и максимум измеряемой величины
2
Чувствительность
изменение выхода на единицу входа
3
Разрешение
минимальное различимое изменение
4
Погрешность
отклонение результата от опорного значения
5
Повторяемость
близость результатов в одинаковых условиях
6
Дрейф
изменение характеристики во времени
7
Время отклика
скорость достижения установленной доли конечного значения
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
9

10.

Погрешность и неопределённость
Решение должно учитывать весь бюджет неопределённости
e = xизм − xэт
Систематическая
смещение калибровки, место установки
Случайная
шум, флуктуации среды
Динамическая
запаздывание при быстром изменении
Цифровая
квантование и округление
Передачи данных
потери, задержка, неверная метка времени
Абсолютная погрешность
δ = e / xэт × 100 %
Относительная погрешность
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
0

11.

Калибровка, поверка и прослеживаемость
Документированная связь с эталоном повышает доверие к данным
Калибровка
установление зависимости между показанием и опорным значением
Поверка
подтверждение соответствия установленным метрологическим требованиям
Верификация
проверка выполнения заданных требований в системе
Валидация
доказательство пригодности решения для конкретного применения
Прослеживаемость
непрерывная документированная цепь к эталонам
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
1

12.

Датчики температуры
Принцип измерения определяет диапазон, точность и способ подключения
Тип
Принцип
Сильная сторона
Логистическое применение
RTD
изменение сопротивления металла
точность и стабильность
склады, камеры, картирование
Термопара
термоэлектрический эффект
широкий диапазон
оборудование, экстремальные зоны
Термистор
сопротивление полупроводника
чувствительность
регистраторы холодовой цепи
Полупроводниковый
интегральная схема
цифровой интерфейс
IoT-узлы и транспорт
ИК-сенсор
тепловое излучение
бесконтактность
поверхность груза, сортировка
Тип
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Принцип
Сильная сторона
Логистическое применение
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
2

13.

Температурный мониторинг холодовой цепи
Сенсор измеряет локальную точку, поэтому место установки критично
Картирование
выявление горячих и холодных зон помещения
Расположение
контроль худших условий и представительных точек
Интервал
достаточный для выявления кратких экскурсий
Тревога
порог, задержка, эскалация и подтверждение
Калибровка
периодичность и документирование
Контекст
идентификатор груза, время, маршрут и состояние двери
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
3

14.

Датчики влажности
Относительная влажность зависит от температуры и требует корректной интерпретации
Параметры выбора
Применение
• диапазон 0–100 % RH
• точность и гистерезис
• время отклика
• стойкость к конденсату
• температурная компенсация
• возможность калибровки
• морские контейнеры
• зерно и сельхозпродукция
• фармацевтические склады
• бумага, текстиль и электроника
• фрукты, овощи и цветы
• контроль риска конденсата
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
4

15.

Газовые и химические сенсоры
Контроль атмосферы важен для качества продукции и безопасности персонала
CO₂
вентиляция, созревание, присутствие людей
Этилен
созревание фруктов и овощей
O₂
контролируемая атмосфера и опасность удушья
ЛОС / VOC
утечки, загрязнение воздуха, растворители
Горючие газы
опасные зоны, склады и терминалы
pH / проводимость
жидкие продукты, мойка и технологические среды
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
5

16.

Движение, удар и вибрация
Инерциальные сенсоры превращают механическое воздействие в профиль события
Акселерометр
ускорение по одной или трём осям
Пьезосенсор
динамическая вибрация и удар
Датчик движения
факт перемещения или присутствия
Событийный логгер
порог, время, длительность и пик
Спектральный анализ
частоты вибрации и диагностика оборудования
Пример: событие 4,2g длительностью 18 мс важнее простого сообщения «удар был».
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
6

17.

Положение и ориентация
Датчики фиксируют наклон, поворот, открытие и пространственное состояние
Устройство
Устройство
Измеряет
Гироскоп
угловую скорость
контроль поворота и динамики
Инклинометр
угол наклона
вертикальные и хрупкие грузы
Магнитометр
направление магнитного поля
ориентация и компас
Геркон / Hall
магнитное поле, открытие
двери и контейнеры
IMU
ускорение + вращение
погрузчики, роботы, ценный груз
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Измеряет
Пример применения
Пример применения
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
7

18.

Расстояние, уровень и присутствие
Физика отражения определяет ограничения метода
Технология
Преимущество
Ограничение
Ультразвук
простота и дальность
температура, форма поверхности
силосы, бункеры
ИК
низкая стоимость
освещение и отражение
наличие объекта
Лазер
точность
прямая видимость
габариты и позиционирование
ToF
быстрый точный замер
оптические свойства цели
роботы и ячейки
Радар
стойкость к пыли и туману
стоимость и настройка
резервуары, транспорт
Технология
Преимущество
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Ограничение
Применение
Применение
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
8

19.

Идентификация и местоположение
RFID и GNSS дополняют сенсоры контекстом «что» и «где»
RFID
идентификатор объекта и событие считывания
BLE-маяк
зональное позиционирование и близость
UWB
точное положение внутри помещения
GNSS
координаты транспорта и контейнера
Геозона
логическое событие входа или выхода
Комбинация
сенсорное событие + объект + место + время
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
1
9

20.

Проводные интерфейсы
Провод обеспечивает предсказуемость, но усложняет монтаж мобильных объектов
Интерфейс
Интерфейс
Особенность
4–20 мА
помехоустойчивый промышленный сигнал
длинные линии, технологические объекты
RS-485 / Modbus
многоточечная цифровая сеть
склады, холодильные установки
I²C / SPI
короткая связь внутри устройства
встроенные сенсорные узлы
Ethernet / PoE
данные и питание по кабелю
стационарные шлюзы и камеры
Дискретный вход
состояние включено / выключено
дверь, концевик, аварийный контакт
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Особенность
Типичное применение
Типичное применение
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
0

21.

Беспроводная связь
Компромисс между дальностью, скоростью, автономностью и инфраструктурой
Технология
Дальность
Энергия
BLE
короткая
низкая
малые пакеты
метки и мобильный сбор
Zigbee
локальная mesh
низкая
малые пакеты
сенсорная сеть склада
Wi-Fi
локальная
высокая
высокая скорость
стационарные узлы
LoRaWAN
дальняя
низкая
редкие малые пакеты
терминалы и удалённые объекты
NB-IoT
сотовая
низкая
телеметрия
транспорт и распределённые активы
Технология
Дальность
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Энергия
Данные
Данные
Применение
Применение
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
1

22.

Энергопотребление и автономность
Срок службы батареи определяется рабочим циклом, а не паспортным током сна
T ≈ Cбат / Iср
Iср = Σ(Iрежим × доля
времени)
Реальный расчёт учитывает
саморазряд, температуру, старение и
запас ёмкости.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Измерение
частота опроса и время прогрева
Обработка
фильтрация и локальная аналитика
Передача
мощность, длительность и повторы
Ожидание
ток сна и таймеры
Обслуживание
доступность замены и стоимость выезда
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
2

23.

Защита и пригодность к среде
IP-рейтинг — только одна часть эксплуатационной пригодности
IP67
6 — защита от пыли
7 — кратковременное
погружение
Не описывает химическую стойкость и
взрывозащиту.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Температура
рабочий и предельный диапазоны
Влажность
конденсат и герметизация
Механика
удары, вибрация, крепление
Химическая среда
коррозия и совместимость материалов
Опасная зона
сертифицированная взрывозащита
Санитария
мойка, пищевой контакт, очистка
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
3

24.

Качество сенсорных данных
Данные должны быть точными, своевременными, полными и связанными с объектом
Точность
погрешность соответствует цели контроля
Полнота
нет критических пропусков измерений
Своевременность
задержка позволяет отреагировать
Согласованность
единицы, время и идентификаторы единообразны
Контекст
известны объект, место, режим и версия калибровки
Достоверность
аномалии, дрейф и неисправности выявляются
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
4

25.

Периферийная обработка и событийная логика
Edge-обработка уменьшает трафик и ускоряет реакцию
1
2
3
4
5
6
Сырые данные
Фильтрация
Агрегация
Порог
Контекст
Передача
частые измерения,
большой объём
удаление шума и
выбросов
среднее, минимум,
максимум, тренд
событие при выходе за
допустимый диапазон
идентификатор, время,
координата, батарея
событие немедленно,
архив по расписанию
Пример: узел передаёт почасовую статистику, но при температуре выше 8 °C
немедленно отправляет тревогу и сохраняет измерения каждую минуту.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
5

26.

Интеграция с WMS, TMS и ERP
Сенсорные данные приобретают смысл после связи с бизнес-объектом
ДАТЧИК
IOT-ПЛАТФОРМА
WMS
TMS
ERP / BI
device_id,
значение,
единица,
время
реестр
устройств,
правила,
хранение
ячейка,
паллета,
партия,
складская
операция
рейс,
маршрут,
транспорт,
контрольная
точка
стоимость,
претензия,
KPI, аналитика
Ключ интеграции: уникальная связь «устройство — объект — операция — время».
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
6

27.

Кибербезопасность сенсорной системы
Уязвимое устройство может искажать данные или стать точкой входа в сеть
1
Идентификация
уникальные учётные данные устройства
2
Шифрование
защита передачи и хранения
3
Целостность
подпись, контроль повторов и подмены
4
Управление ключами
выдача, ротация и отзыв
5
Обновление
безопасная прошивка и управление версиями
6
Сегментация
изоляция IoT-сети от критических систем
7
Мониторинг
аномалии трафика и поведения устройства
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
7

28.

Алгоритм выбора сенсора
Выбор начинается с управленческой задачи, а не с каталога устройств
01
Определить риск и решение
02
Задать измеряемый параметр
03
Установить диапазон и точность
04
Учесть среду и монтаж
05
Выбрать связь и питание
06
Сравнить альтернативы
07
Проверить интеграцию и TCO
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
8

29.

Многокритериальный выбор
Веса делают приоритеты явными и проверяемыми
S = Σ(wᵢ × rᵢ)
Σwᵢ = 1
Вес отражает значимость
критерия, оценка — соответствие
альтернативы.
Точность
вес 0.30
оценка 5
Автономность
вес 0.20
оценка 4
IP-защита
вес 0.15
оценка 5
Связь
вес 0.15
оценка 4
Стоимость
вес 0.20
оценка 3
Итог: 4,15 из 5
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
2
9

30.

Стоимость владения и эффект
Экономика включает устройство, инфраструктуру, данные и обслуживание
TCO
Измеримый эффект
• датчики и запасные устройства
• монтаж, калибровка и ввод в эксплуатацию
• шлюзы, связь и облачная платформа
• замена батарей и технический сервис
• интеграция, обучение и кибербезопасность
• снижение порчи и претензий
• уменьшение простоев
• экономия ручного труда
• рост точности запасов
• снижение страхового запаса
• быстрее расследование инцидентов
Срок окупаемости = инвестиции / среднемесячный экономический эффект
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
0

31.

Отраслевые примеры применения
Один принцип измерения решает разные логистические задачи
Сценарий
Датчики
Фармацевтика
температура, RH, дверь
карантин партии, проверка экскурсии
Скоропорт
температура, RH, этилен
регулирование режима и FEFO
Хрупкий груз
удар, вибрация, наклон
акт инцидента и претензионная работа
Высотный склад
ToF, UWB, RFID
позиционирование и безопасность техники
Зерно / силос
температура, влажность, уровень
аэрация и предупреждение самосогревания
Опасный груз
газ, температура, вскрытие
аварийная эскалация и ограничение доступа
Сценарий
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Датчики
Управленческое действие
Управленческое действие
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
1

32.

Особенности внедрения в Казахстане
Архитектура должна учитывать географию маршрутов и доступность инфраструктуры
Большие расстояния
автономность, буфер памяти и редкая передача
Неравномерное
покрытие
store-and-forward и гибридные каналы
Климатические
перепады
широкий рабочий диапазон и защита корпуса
Трансграничные
перевозки
роуминг, единицы измерения и совместимость данных
Отраслевые требования фармацевтика, пищевые и опасные грузы
Эксплуатация
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
доступность батарей, сервиса и калибровки
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
2

33.

Заключение
Ключевые выводы лекции
1
Сенсорная система начинается с логистического риска и требуемого действия.
2
Точность измерения зависит от датчика, установки, калибровки и обработки данных.
3
Температура, влажность, движение, положение и расстояние требуют разных физических
принципов.
4
Связь и питание определяют автономность и эксплуатационную стоимость системы.
5
Интеграция с WMS/TMS связывает телеметрию с грузом, маршрутом и операцией.
6
Безопасность, качество данных и TCO оцениваются наравне с техническими параметрами.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
3

34.

Контрольные вопросы 1–9
Вопросы различаются по уровню: знание, понимание, применение и анализ
1
Дайте определение датчика и сенсорного узла.
6
Чем калибровка отличается от поверки?
2
Назовите уровни архитектуры логистической IoTсистемы.
7
Сравните RTD, термопару и термистор.
3
По каким признакам классифицируют датчики?
8
Почему место установки температурного сенсора
критично?
4
Чем точность отличается от разрешения?
9
Какие параметры важны для датчика влажности?
5
Что такое дрейф и время отклика?
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
4

35.

Контрольные вопросы 10–18
Вопросы различаются по уровню: знание, понимание, применение и анализ
10
Как этилен влияет на мониторинг фруктов?
15
Когда проводной интерфейс предпочтительнее
беспроводного?
11
Как акселерометр фиксирует повреждающее событие?
16
Сравните BLE, Zigbee, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT.
12
Чем гироскоп отличается от инклинометра?
17
Из чего складывается средний ток сенсорного узла?
13
Сравните ультразвук, лазер, ToF и радар.
18
Что означает IP67 и чего этот код не показывает?
14
Как RFID и GNSS дополняют сенсорные данные?
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
5

36.

Контрольные вопросы 19–25
Вопросы различаются по уровню: знание, понимание, применение и анализ
19
Какие измерения характеризуют качество данных?
23
Опишите алгоритм выбора сенсора.
20
Зачем нужна периферийная обработка?
24
Как применяется метод взвешенных критериев?
21
Как связать устройство с объектом WMS/TMS?
25
Какие статьи затрат входят в TCO сенсорной системы?
22
Назовите базовые меры кибербезопасности IoT.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
6

37.

Основная литература
Реально существующие учебные и научные источники
1
Fraden J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. 5th ed. Cham: Springer, 2016.
2
Hanes D. et al. IoT Fundamentals: Networking Technologies, Protocols, and Use Cases for the Internet of Things. Indianapolis:
Cisco Press, 2017.
3
Bahga A., Madisetti V. Internet of Things: A Hands-On Approach. Atlanta: VPT, 2014.
4
Gubbi J. et al. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions. Future Generation Computer
Systems. 2013. Vol. 29, No. 7. P. 1645–1660.
5
ISO 28000:2022. Security and resilience — Security management systems — Requirements. Geneva: ISO, 2022.
6
WHO. Model guidance for the storage and transport of time- and temperature-sensitive pharmaceutical products. WHO
Technical Report Series No. 961, Annex 9, 2011.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
7

38.

Дополнительная литература и стандарты
Спецификации и руководства для углублённого изучения
01
LoRa Alliance. LoRaWAN Specification v1.1. 2017.
05
OASIS. MQTT Version 5.0. OASIS Standard. 2019.
02
LoRa Alliance. LoRaWAN L2 1.0.4 Specification.
2020.
06
IEC 60529. Degrees of protection provided by
enclosures (IP Code).
03
3GPP. TR 36.802. E-UTRA; NB-IoT; Technical Report
for BS and UE radio transmission and reception.
07
Ashton K. That “Internet of Things” Thing. RFID
Journal. 2009.
04
WHO. Temperature mapping of storage areas.
Technical Supplement to WHO TRS 961, Annex 9.
2014.
08
Karvinen K., Karvinen T. Make: Sensors. Sebastopol:
Maker Media, 2014.
Нормативные документы и спецификации следует использовать в актуальной редакции.
6В11369 «Логистика (по отраслям)» · Модуль II
Лекция 5 · IoT и сенсорные сети
3
8