دیتالاگر Data Logger چیست؟ راهنمای جامع صفر تا 100

در این مقاله می‌خواهیم یکی از پرکاربردترین ابزارها و دستگاههای صنعتی و کاربردی را معرفی کنیم. بله دیتالاگر یا ثبت‌ کننده داده‌ها! اما منظورمان از ثبت‌کننده داده یا همان دیتالاگر چیست؟ این دستگاه چه کاری انجام می‌دهد که اینقدر کاربردی و بعضاً حیاتی است؟

دیتالاگر (Data Logger) چیست؟

دیتالاگر که با نام ثبت‌کننده داده (Data Recorder) نیز شناخته می‌شود، یک دستگاه الکترونیکی است که اغلب مبتنی بر پردازنده دیجیتال بوده و داده‌هایی مانند ولتاژ، دما و جریان را در طول زمان با استفاده از یک سنسور خارجی یا داخلی کنترل و بررسی می‌کند. این دستگاه می‌تواند هم در ابعاد کوچک و نسبتاً ارزان باشد و هم در مقیاس‌های بزرگتر صنعتی و گران طراحی شده باشد که در آن صورت عموماً از آنها به عنوان سیستم دیتالاگر نام برده می‌شود.

زمانی که نیازی به جمع‌آوری داده‌ها با سرعت بالا نبوده اما حجم زیادی از داده‌ها باید ثبت شوند، استفاده از دیتالاگر به جای سیستم جمع‌آوری داده (DAQ)، انتخاب مناسب‌تری است. دیتالاگرها نسبت به سیستم‌های جمع‌آوری داده ارزان‌تر هستند.

دیتالاگرها، پربازده‌ترین ابزار ثبت داده‌ها هستند. این دستگاهها می‌توانند داده‌ها را روزها، ماه‌ها و حتی سال‌ها ثبت کنند. معمولاً به این کار، فرآیند ثبت داده‌ها (Data Logging) گفته می‌شود.

دیتالاگرها را می‌توان بر اساس ویژگی‌های پایه‌ای زیر تعریف نمود:

انواع دیتالاگر

1. دیتالاگرهای مستقل (Stand-alone): دیتالاگرهای مستقل، به شکلی طراحی شده‌اند که برای کار کردن به سیستم کامپیوتری دیگری نیاز ندارند. آنها می توانند داده‌ها را در حافظه داخلی یا رسانه‌های قابل حمل ذخیره کنند و اغلب دارای نمایشگر و رابط‌های داخلی برای پیکربندی دستگاه و دسترسی به داده‌های ذخیره شده هستند. دیتالاگرهای مستقل برای برنامه‌های از راه دور و قابل جابجایی و در زمانهایی که کامپیوتر در دسترس نیست مناسب هستند.
2. دیتالاگرهای مبتنی بر کامپیوتر (PC-based): این نوع دیتالاگرها به رایانه متصل هستند و از نرم‌افزارهای در حال اجرا بر روی آن برای کنترل فرآیند ثبت داده‌ها استفاده می‌کنند. آنها معمولاً دارای محدوده اندازه‌گیری بزرگتر و دقت بالاتری نسبت به دیتالاگرهای مستقل هستند و انعطاف‌پذیری بیشتری از نظر تجزیه و تحلیل داده‌ها و گزینه‌های ذخیره سازی ارائه می‌دهند.
3. دیتالاگرهای ابری (Cloud-based): Datalogger های ابری یا کلاود از اینترنت برای انتقال داده‌ها به یک سرور راه دور استفاده می‌کنند؛ جایی که می‌توان آن‌ها را با استفاده از ابزارهای نرم‌افزاری تحت وب و ابری ذخیره و تجزیه-تحلیل کرد. این نوع از دیتالاگرها برای برنامه‌هایی مناسب است که در آن‌ها دسترسی هم‌زمان به داده‌ها مورد نیاز است، یا جایی که داده‌ها باید در مکانی امن و خارج از سایت صنعتی یا سازمانی ذخیره شوند.

انواع دیتالاگر بر اساس نوع سیگنال و کاربرد

انواع اصلی دیتالاگر ها بر اساس نوع سیگنال و کاربردی که ثبت می‌کنند، به‌ صورت زیر معرفی می‌شوند:

فرکانس نمونه‌ برداری دیتالاگر

دیتالاگرها برای ثبت سیگنال‌هایی ساخته شده‌اند که به‌ آرامی تغییر می‌کنند، یعنی شرایطی که سیگنال‌ها در مدت زمان طولانی، تغییرات آرامی داشته باشند. برخی از آن‌ها برای ثبت اشکالات فنی ناشی از ناهم‌زمانی سیگنال‌ها یا اتصال کوتاه ساخته شدند که این ایرادات ممکن است روزها، هفته‌ها یا ماه‌ها رخ ندهند. هر ویژگی الکتریکی یا فیزیکی که قابل تبدیل به یک سیگنال الکتریکی باشد، را می‌توان توسط یک دیتالاگر، با در نظر گرفتن پهنای باند، ثبت نمود.

فرکانس نمونه‌برداری معمول دیتالاگر از یک نمونه/ثانیه (1S/s) تا صد نمونه/ثانیه (100S/s) در هر کانال است که این نرخ در مقایسه با سیستم‌های جمع‌آوری داده (DAQ) دیجیتال جدید بسیار کند است. فرکانس نمونه‌برداری پایین دلیلی است که این دستگاه‌ها می‌توانند داده‌ها را در چنین دوره‌های طولانی ثبت کنند.

انواع ورودی‌ های دیتالاگر

ورودی‌‌های سنسور تعبیه شده درون دیتالاگرها، به جز در موارد استثنا، به ولتاژ، جریان 20-4 میلی‌آمپر، دما، رطوبت و سیگنال پالس محدود هستند. آن‌ها اغلب از کانکتورهای نوع ترمینال پیچی استفاده می‌کنند زیرا برای ماه‌ها و سال‌ها در یک مکان تعبیه می‌شوند و اتصالات سیگنال اغلب تغییر نمی‌کنند.

خروجی‌های حلقه جریان 20-4 میلی‌آمپر در میان طیف گسترده‌ای از سنسورهای صنعتی رایج هستند، از جمله حسگرهایی که سطح آب، رطوبت، دما، فشار، سنسورهای ایستگاه هواشناسی، موقعیت‌های باز/بسته بودن درها و صدها مورد دیگر را کنترل می‌کنند.

تعداد کانال‌ های دیتالاگر

برخی مدل‌های محدود تعداد کانال‌های بیشتری، تا 100 یا بیشتر کانال را ارائه می‌دهند. اگرچه چنین دیتالاگرهایی وجود دارند اما کاربرد بسیار محدودی دارند و کارهای کمی وجود دارند که نیاز به چنین تعداد کانال‌هایی داشته باشند. برای کاربردهایی که نیاز به تعداد کانال‌های زیاد است، می‌توان از دیتا‌لاگرهای چندکاره استفاده نمود.

دیتالاگر با تعداد کم کانال

یک نمونه از دیتالاگرهای با تعداد کانال کم، مدل GL240 شرکت گرافتک است. این مدل دارای ده کانال آنالوگ چند منظوره است که هر کدام را می‌توان برای ولتاژ، جریان و دما پیکربندی نمود.

مدل GL240 دارای یک صفحه نمایش تعبیه شده و یک رابط کاربری ساده مشابه کنترل از راه دور تلویزیون است. داده‌ها را می‌توان از رم داخلی یا حافظه فلش جمع‌آوری نمود. داده‌های جمع‌آوری شده را می‌توان از طریق اترنت، USB یا رابط وای‌فای به کامپیوتر میزبان انتقال داد. زمانی که هر ده کانال برای ثبت داده به کار گرفته شوند، این مدل می‌تواند بیش از ده نمونه بر ثانیه را ثبت نماید.

 

دیتالاگر با تعداد زیاد کانال

یک نمونه از دیتالاگرهای با تعداد کانال زیاد، مدلهای سری 2680 شرکت فلوک (FLUKE) است. هر ورودی را می‌توان از 20 تا 120 کانال افزایش داد و چندین سیستم را می‌توان از طریق پروتکل TCP/IP اترنت به هم متصل کرد.

دیتالاگر سری 2680 شرکت فلوک که در تصویر بالا نشان داده شده است، یک دیتالاگر پیشرفته و رده‌بالا است که با ایزولاسیون گالوانیک سطح بالایی داشته و سایر قابلیت‌های آن از دیتالاگرهای معمولی بهتر است، بنابراین، قیمت آن نیز به همین نسبت بالاتر است.

این مدل نیز همانند سایر دیتالاگرها مستقل است اما برای کاربردهای جانبی نیز می‌توان آن را به یک کامپیوتر میزبان متصل نمود.

ذخیره‌سازی داده‌ها در دیتالاگر

دیتالاگرها معمولاً داده‌های ثبت شده را در حافظه داخلی مانای خود ذخیره می‌کنند، سپس، این داده‌ها جهت تجزیه و تحلیل در یک رایانه دیگر بارگذاری می‌شوند. این حافظه داخلی اغلب فضایی در حدود کیلوبایت یا مگابایت را ارائه می‌دهد؛ البته، برخی از دیتالاگرها امکان استفاده از رسانه خارجی با واسط USB را فراهم می‌آورند، بنابراین ذخیره‌سازی داده تا چندین گیگابایت نیز در این سیستم‌ها ممکن است. دلیل کم بودن حجم ذخیره‌سازی این حافظه این است که فرکانس نمونه‌برداری دیتالاگرها پایین است: حتی اگر یک دیتالاگر دارای 100 کانال باشد و هر کانال نمونه‌ها را با سرعت 1S/s با وضوح 16 بیت (نیازمند 2 بایت به ازای هر نمونه) ثبت کند، حجم نمونه‌های ثبت شده در هر ثانیه و هر ساعت به‌ صورت زیر است:

پس از ذخیره‌سازی می‌توان داده‌ها را برای تجزیه و تحلیل و نگهداری بلند مدت به سیستم‌های دیگر انتقال داد.

به دلیل نرخ نمونه‌برداری پایین دیتالاگرها، محدوده زمانی ثبت داده‌ها از مدل‌های مختلف بر حسب روز تا مدل‌های بر حسب هفته یا ماه متغیر است.

برای انتقال داده‌های ثبت شده به سایر سیستم‌ها جهت کنترل و بررسی، برخی از مدل‌ها از رابط‌های سیمی مانند USB یا اترنت استفاده می‌کنند. تعداد روزافزون دیگر مدل‌ها نیز از وای‌فای نیز پشتیبانی می‌نمایند.

 

رابط کاربری دیتالاگر (UI)

دیتالاگرها معمولاً یا رابط کاربری ندارند و یا یک صفحه نمایش شمارشی عددی ساده دارند. برخی از مدل‌ها مانند GL240 که پیش‌تر به آن اشاره کردیم، دارای صفحه‌نمایش نسبتاً پیچیده‌ای هستند که شکل موج‌ها و اعداد نمایش می‌دهد.

به این دلیل که معمولاً هفته‌ها یا ماه‌ها طول می‌کشد تا نمونه‌ها توسط دیتالاگر ثبت شوند، بنابراین منطقی نیست که همانند شرایطی که داده‌برداری با سرعت بالا و در زمان کوتاه توسط سیستم DAQ انجام می‌شود، شخصی به‌طور مداوم آن‌ها را نظارت کند.

اکثر دیتالاگرها، درایورهایی برای محیط‌های برنامه‌نویسی مانند DASYLab و LabVIEW، نرم‌افزارهای ارائه شده توسط شرکت National Instruments، ارائه می‌دهند. مهندسین با استفاده از این ابزارها می‌توانند رابط نرم‌افزاری مدنظر خود را برای دستگاه دیتالاگر ایجاد کنند. برخی از شرکت‌های ارائه‌دهنده دستگاه‌های DAQ، درایورهای مشابهی را برای این محیط‌های برنامه‌نویسی فراهم می‌آورند، اگرچه به احتمال زیاد، این درایورها شامل برنامه‌های نرم‌افزاری کلید در دست (Turn Key) آن شرکت‌ها باشد.

 

مانیتورینگ بلادرنگ (Real-Time) دیتالاگرها

برخی از دیتالاگرها امکان کنترل و بررسی Real-Time را در قالب یک صفحه نمایش LCD تعبیه شده فراهم می‌آورند که مقادیر عددی اندازه‌گیری شده را به صورت بلادرنگ نشان می‌دهد و می‌توان با آن یک مانیتورینگ مناسب را تجربه کرد. برخی مدل‌های دیگر ممکن است یک رابط سیمی یا وای‌فای فراهم آورند تا یک کامپیوتر دیگر بتواند به صورت Real-Time به داده‌ها دسترسی پیدا کند. اگر این دو امکان توسط یک دیتالاگر فراهم نشود، جهت کنترل و بررسی داده‌ها باید منتظر اتمام عملیات ثبت داده‌ها ماند، سپس، داده‌ها توسط یک کامپیوتر دیگر قابل دسترسی هستند.

پس از اتمام ثبت نمونه‌ها، معمولاً داده‌ها به یک کامپیوتر خارجی منتقل می‌شوند. برخی از دیتالاگرها امکان کنترل و بررسی ویژگی بلادرنگ را از طریق اتصالات سیمی یا بی‌سیم فراهم می‌آورند.

منبع تغذیه دیتالاگر ها

دیتالاگر کوچک معمولی، یک دستگاه الکترونیکی کم مصرف است که با باتری کار می‌کند. به دلیل مصرف برق کم، بسیاری از آنها می‌توانند ساعت‌ها بدون منبع برق خارجی کار کنند. با این حال، مدل‌هایی که باید برای مدت زمان طولانی کار ثبت داده‌ها را انجام دهند، نیاز به منبع تغذیه خارجی دارند. منابع تغذیه دیتالاگرهای کوچک معمولاً دارای ورودی برق DC بوده، در حالی که مدل‌های بزرگ‌تر دارای ورودی برق AC هستند.

قیمت دیتالاگر

دیتالاگرهای ارزان قیمت حدود 100 دلار و مدل‌های میان‌رده از 500 تا 3000 دلار قیمت دارند.

دیتالاگرهای مبتنی بر باس (BUS)

دیتالاگرها معمولاً از پروتکل‌های ابزار دقیق استاندارد صنعتی مانند MODBUS و CAN BUS اجتناب می‌کنند. با این حال، شرایط در حال تغییر است و کاربرد و پذیرش این پروتکلها در حال افزایش است.

پروتکل Modbus، یک پروتکل ارتباطی بدون حق امتیاز است که در ابتدا توسط شرکت اشنایدر الکتریک (Schneider electric) اختراع شد. این پروتکل به وفور در سیستم‌های اسکادا یا جمع‌آوری داده‌ها و کنترل نظارت (SCADA) و با کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. لایه فیزیکی آن RS485 بوده که پیاده‌سازی و نگهداری آن آسان است. این پروتکل هم‌اکنون توسط سازمان Modbus مدیریت می‌شود.

 

شبکه ناحیه کنترل‌کننده یا (Controller Area Network)، که اغلب با نام CAN-BUS شناخته می‌شود، در ابتدا به عنوان یک پروتکل پیام‌رسانی ایجاد شد تا به میکروکنترلرها (مانند ECU) در خودروها اجازه دهد تا بدون نیاز به کامپیوتر میزبان با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

 

کاربرد سیستم‌های DAQ از پروتکل CAN رو به افزایش است. این سیستم‌ها می‌توانند از طریق پروتکل CAN، انتقال داده‌های سنسورها، یعنی هم خواندن و هم نوشتن، را بر روی یک باس معمولی انجام دهند.  سیستم‌های جمع‌آوری داده شرکت Dewesoft یک مثال عالی برای نشان دادن کاربرد این پروتکل هستند، زیرا کل خط تولید آنها سازگار با پروتکل CAN است. شرکت Dewesoft، سیستم‌های جمع‌آوری داده باس CAN و CAN FD با سرعت بالا را ارائه می‌دهد که می‌توانند به‌طور هم‌زمان از 2، 4 یا حتی 8 سیستم CAN bus، داده‌ها را جمع‌آوری کنند.

هر یک از پورت‌های CAN در این مدل‌های کمپانی Dewesoft ایزوله بوده و از استاندارد CAN2.0b سرعت بالا بهره می‌گیرد.

لازم به ذکر است که علاوه بر این ماژول‌های CAN اختصاصی، رابط‌های CAN را تقریباً می‌توان به‌طور مجازی به هر سیستم جمع‌آوری داده Dewesoft اضافه کرد. دیتالاگرها نیز شروع به پذیرش باس CAN کرده‌اند. یکی از مدل‌های اولیه دیتالاگرهایی که از پروتکل CAN bus استفاده می‌کنند، CAN-DS2 شرکت Dewesoft است.

این دیتالاگر کوچک می‌تواند داده‌های منتقل شده از طریق شبکه باس CAN را برای مدت‌ طولانی بر روی یک فلش کارت صنعتی 8 گیگابایتی با قابلیت حذف داده ثبت کند. قابلیت کنترل و بررسی (Monitoring) شبکه باس CAN را می‌توان برای اهداف قانونی، تشخیص مشکلات خودرو، کارهای تحقیقاتی یا تعمیر و نگهداری به کار برد.

دیتالاگرهای موقعیت‌ (مکان) یابی GPS و GNSS

با توسعه سیستم‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای GNSS، امکان ثبت داده‌های موقعیت‌یابی مانند طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع نیز توسط دیتالاگرها فراهم شده است.

این دیتالاگرها به‌سادگی یک گیرنده سازگار با GNSS را تعبیه کرده و به این طریق، می‌توانند موقعیت جسم بر روی زمین را به طور دقیق ثبت نمایند. علاوه بر دیتالاگرهای استاندارد GNSS/GPS، سیستم‌های ناوبری اینرسی (INS) و واحدهای اندازه‌گیری اینرسیایی (IMU) نیز ارائه شده‌اند که می‌توانند پارامترهای اضافی مانند جهت، موقعیت، سرعت‌ و شتاب‌ را ثبت نمایند.

کاربرد دیتالاگر ها

رایج‌ترین کاربردهای دیتالاگرها در زمینه ثبت داده‌های مربوط به کنترل دما و سطح رطوبت در محیط‌های تولیدی، انبارها، بیمارستان‌ها و سایر مکان‌های عمومی است.

• کنترل دمای غذا در تمام مراحل تولید تا حمل و نقل
• نظارت بر دما و تهویه مطبوع در محیط‌های صنعتی و تجاری
• کنترل فرآیندهای تولید در محیط‌های مختلف
• کنترل و بررسی شرایط رشد محصولات در گلخانه‌ها و مزارع
• نظارت بر شرایط محیطی کارخانه‌های ساخت دارو در طول فرآیند تولید و نگهداری
• کنترل فعالیت‌های لرزه‌ای در مناطق زلزله‌خیز

چه شرکتها و سازمان هایی به دیتالاگر نیاز دارند؟

گاهی اوقات دیتالاگرها در صنعت و سازمان‌های دولتی مورد نیاز هستند. برای نمونه:

• مطابق دستورالعمل 92/1 کمیسیون اروپا و سازمان غذا و داروی ایالت متحده آمریکا: فرآیند تهیه، ذخیره‌سازی و حمل و نقل مواد غذایی باید تحت کنترل قرار گیرند تا اطمینان حاصل شود که درجه حرارت در سطح مورد نیاز حفظ شود. این مورد، یک نمونه ایده‌آل برای کاربرد دیتالاگرها است که می‌توانند دما را در فواصل زمانی معین در یک دوره زمانی بسیار طولانی ثبت کنند.
• واکسن‌ها و سایر داروها باید در طول فرآیند ساخت، بسته‌بندی، ذخیره‌سازی و حمل و نقل در دماهای بالا نگهداری شوند.
• سیستم‌های کنترل دما و تهویه مطبوع در بیمارستان‌ها و سایر مکان‌های عمومی باید به‌طور مداوم مورد نظارت قرار بگیرند تا اطمینان حاصل شود که افرادی که از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند در امنیت و آرامش هستند. این سیستم‌ها نه تنها کنترل دما و رطوبت، بلکه تشخیص سطح دی اکسید کربن (CO2)، تهویه و موارد دیگر را نیز شامل می‌شوند.
• اتحادیه اروپا، ایالات متحده آمریکا و سایر کشورها مقررات مختلفی در رابطه با بهره‌وری و مصرف انرژی دارند. نظارت مستمر تنها راه اطمینان و اثبات اعمال این مقررات است.

 

سخن پایانی

اگر نیاز به اندازه‌گیری‌های مقادیر ولتاژ، جریان، دما و سنسورهای مربوطه دارید که روزها، هفته‌ها و ماه‌ها طول می‌کشد، دیتالاگرها ابزار اندازه‌گیری ایده‌آلی برای کاربردهای طولانی مدت هستند. این دستگاه‌ها معمولاً کم هزینه بوده و مدل‌های مختلف تولید شده توسط شرکت‌های متفاوت به راحتی در دسترس هستند.