Adquisición de datos:información básica para los gerentes de productos de IoT

Uno de los atributos clave de Internet de las cosas es su capacidad para medir señales físicas para comprender mejor el mundo que nos rodea. Es un tema muy importante y uno que los gerentes de producto deben conocer bien. En esta publicación, proporciono una introducción al mundo de la adquisición de datos y los parámetros clave que los PM deben conocer.

El proceso de adquisición de señales del mundo real, o Adquisición de datos, es un misterio para la mayoría de los PM, especialmente si no ha estado expuesto al hardware. Pero cuanto más sepa sobre cómo funciona un producto de IoT de extremo a extremo, más conversaciones informadas podrá tener con su equipo de ingeniería.

Recuerde que el objetivo no es convertirse en un experto en tecnología o dictar la tecnología que su equipo de ingenieros debe usar para construir el producto. El objetivo es comprender el contexto de la tecnología para que pueda unirse a las conversaciones de ingeniería y agregar la perspectiva empresarial y del usuario.

En una publicación anterior, escribí sobre los 4 componentes clave de hardware incluidos en cada dispositivo de IoT. En esta publicación, profundizaré en uno de estos componentes:el módulo de adquisición de datos.

La función del módulo de adquisición de datos es adquirir señales físicas del mundo real y convertirlas en información digital que pueda ser manipulada por una computadora.

Hay dos tipos principales de señales del mundo real:señales discretas y señales analógicas. Para comenzar, en esta publicación me enfocaré solo en las señales analógicas.

¿Qué es una señal analógica?

Una señal analógica se define como una señal continua que varía su amplitud o frecuencia a lo largo del tiempo. Estas variaciones ocurren en respuesta a un cambio de los fenómenos físicos que están midiendo. Por ejemplo, la siguiente imagen muestra la temperatura fluctuando con el tiempo.

Ahora que está familiarizado con las señales analógicas, hablemos del hardware y el proceso necesario para adquirir o "digitalizar" estas señales.

El aspecto de ingeniería de la adquisición de datos puede volverse muy complicado. Desde una perspectiva de PM, me centraré en estos componentes del proceso de adquisición de datos:

1. ¿Qué señal del mundo real desea medir?
2. Comprender los sensores
3. Acondicionamiento de señales
4. Trabajo de conversión de analógico a digital
5. Interpretación de datos

1. ¿Qué señal del mundo real quieres medir?

Antes de comenzar a planificar su hoja de ruta de hardware, debe comprender qué tipo de señales físicas desea medir. Los ejemplos de señales físicas incluyen:

• Temperatura
• Sonido
• Humedad
• Vibración
• Ligero
• Presión
• Etc

Tenga en cuenta que no voy a saltar directamente a la selección de un sensor. Los sensores son un componente tecnológico que proporciona un medio para alcanzar un fin. Primero, es importante comprender qué tipo de señal necesita medir y comprender bien cómo planea usar esa información.

Una vez que determine el tipo de señal que necesita, deberá investigar algunos parámetros adicionales antes de trabajar con su equipo para seleccionar los sensores adecuados. Aquí hay algunas preguntas clave que debe responder:

¿Cuál es el tipo de señal exacto que medirá?

No es suficiente decir que quiere medir "gas". ¿Qué tipo de gas? ¿Oxígeno? CO2? ¿Qué información sobre el gas desea medir? ¿Fluir? ¿Temperatura? ¿Partículas por pulgada cuadrada? Sea específico para que su equipo de ingeniería pueda elegir el mejor sensor para el trabajo.

¿Qué tan rápido cambia la señal?

Supongamos que necesita medir la temperatura. Dependiendo de su aplicación, los mismos fenómenos físicos (en este caso la temperatura) pueden cambiar muy lentamente (es decir, la temperatura ambiente en una habitación) o pueden cambiar muy rápido (es decir, la temperatura dentro de un motor).

Comprender qué tan rápido cambia su señal (tasa de cambio) ayudará a su equipo a seleccionar sensores y convertidores que puedan mantenerse al día con la señal que desea medir.

¿Cuál es el rango de la señal que necesita medir?

Por ejemplo, si está midiendo la temperatura ambiente, entonces debería ser suficiente tener sensores con un rango de 0 a 40 grados Celsius. Por otro lado, si está midiendo la temperatura dentro de un horno, es posible que necesite sensores con un rango de miles de grados Celsius. Una vez más, cuanto más específico pueda ser, más empodera a su equipo de ingenieros para que tome las decisiones correctas.

2. Entender los sensores

Hay cientos de sensores por ahí, lo que le brinda una gran flexibilidad para elegir el sensor correcto para las señales del mundo real que desea medir. Pero, ¿cómo funcionan los sensores?

Todos los sensores analógicos producen una señal eléctrica (voltaje o corriente) que representa las variaciones de la señal del mundo real que desea medir. A medida que la señal del mundo real varía con el tiempo, el sensor producirá una señal eléctrica que representa con precisión esas variaciones.

3. ¿Qué es el acondicionamiento de señales?

Cada tipo de sensor produce un nivel diferente de salida de voltaje o corriente. Y, a menudo, la salida del sensor no es compatible con el rango de entrada requerido por el convertidor de analógico a digital (ADC). O tal vez el hardware de su dispositivo está instalado en un lugar con mucho ruido electromagnético y necesita una forma de limpiar esa señal antes de pasarla al ADC.

El acondicionamiento de señal se refiere al proceso de manipular la salida de su sensor para que pueda ser consumida por su ADC. Las formas más comunes de acondicionamiento de señales son:

• Desplazamiento de CC
• Amplificación
• Atenuación
• Filtrado

Muchos proveedores tienen productos de acondicionamiento de señales que puede agregar al hardware de su dispositivo para garantizar que la señal que proviene de sus sensores esté lista para su procesamiento. Estos productos van desde chips individuales hasta módulos de hardware completos para aplicaciones especializadas. Trabaje con su equipo de ingeniería para determinar el mejor enfoque para su aplicación.

4. Conversión de analógico a digital (ADC)

El hardware de su dispositivo necesita digitalizar la señal proveniente de sus sensores antes de que una computadora pueda utilizar esos datos. Este proceso se denomina conversión de analógico a digital.

La conversión de analógico a digital es un tema muy detallado, por lo que en esta publicación solo me enfocaré en los parámetros más importantes que los gerentes de producto deben conocer.

Un convertidor de analógico a digital (ADC) es una pieza de hardware (generalmente un chip) que digitaliza una señal tomando constantemente muestras individuales de esa señal.

Los parámetros clave a considerar en un convertidor de analógico a digital son la frecuencia de muestreo y la resolución.

Frecuencia de muestreo

La frecuencia de muestreo se refiere a la frecuencia con la que el ADC toma muestras de la señal analógica. Para reproducir con precisión el contenido de frecuencia de una señal analógica, el ADC necesita muestrear al menos dos veces más rápido que la frecuencia más alta de la señal. Esto se basa en la frecuencia de Nyquist.

Si desea reproducir no solo el contenido de frecuencia, sino también la forma y amplitud de la señal en el dominio del tiempo, entonces el ADC necesita muestrear a una velocidad mucho más alta. La regla de ingeniería es muestrear 10 veces la frecuencia de esta señal original. Eso significa que si su señal tiene una frecuencia de 100 Hz (100 ciclos por segundo), entonces su convertidor necesita muestrear a 1,000 Hz.

Las siguientes imágenes muestran el resultado de un muestreo lento frente a un muestreo rápido de una señal analógica.

Resolución

La resolución se refiere a qué tan granular desea que sea su precisión. La resolución se especifica por el número de bits que utiliza el ADC para representar cada muestra. Por ejemplo, puede tener un ADC de 2 bits, 4 bits, 8 bits, 24 bits, etc. Un ADC de 2 bits podría registrar 4 valores (2 ^ 2 =4). Un ADC de 4 bits puede medir 16 valores (2 ^ 4 =16) y así sucesivamente. Cuantos más bits por muestra, mejor será la resolución de su medición.

Veamos un ejemplo. Supongamos que tiene un termopar (sensor de temperatura) que puede medir cambios de temperatura entre 0 y 96 grados Celsius. Si usa un ADC de 4 bits, entonces tiene 16 valores posibles (2 ^ 4 =16) para representar el rango completo del sensor. Una salida de ADC de 0 corresponde a 0 grados y una salida de ADC de 15 corresponde a 96 grados.

Si divide el rango de medición por el número de valores de ADC, obtiene el tamaño de paso mínimo que puede medir. En este caso, el tamaño del paso es 6 (96/16 =6). Lo que esto significa es que la variación de temperatura más pequeña que puede registrar con este ADC es de 6 grados.

Ahora piense en el mismo ejemplo usando un ADC de 8 bits. Si dividimos el rango completo del sensor (96 grados C) por la resolución ADC de 256 (2 ^ 8 =256), el resultado es 0.375 (96/256 =0.375) lo que significa que con un ADC de 8 bits, usted ' ¡Sería capaz de distinguir cambios de temperatura tan pequeños como 0,375 de grado!

Una conclusión clave desde la perspectiva de PM es que la combinación de frecuencia de muestreo y resolución determina la cantidad de datos que produce su dispositivo. Por ejemplo, si tiene un ADC de 24 bits y está muestreando a 200 kHz (sí, 200,000 muestras por segundo), entonces producirá 600kB de datos por segundo en solo este sensor. Estos son datos que necesitará procesar en el borde, tal vez transmitir a la nube, almacenar, hacer copias de seguridad, etc.

Ahora que sabe cómo realizar estos cálculos, puede estimar cuántos datos brutos producirá su producto por día / mes / año. Tenga en cuenta que las máquinas pueden producir una tonelada de datos casi instantáneamente. Tenga en cuenta estos cálculos para comprender cómo afectan a otras áreas de la pila de tecnología de IoT y otras áreas de decisión, como negocios y seguridad.

5. Interpretación

Ahora que tiene la señal digitalizada, debe aplicar alguna transformación para dar sentido a esos datos. Recuerde que la salida de un sensor es solo un número que se correlaciona con los cambios de los fenómenos físicos que están midiendo.

Volviendo al ejemplo de la temperatura, un termopar no devuelve valores en grados Celsius o Fahrenheit. Solo devuelve un número que necesita convertir a una unidad que tenga sentido para que la usen los humanos. Este proceso se llama interpretación.

Tenga en cuenta que cada sensor es diferente. El fabricante del sensor le proporcionará una fórmula para convertir el valor bruto en una unidad utilizable.

Durante el proceso de interpretación, también es común adjuntar metadatos a la medición de su sensor. Algunos metadatos pueden incluir:

• Marca de tiempo (agregada a cada muestra de ADC para crear una serie de tiempo)
• ID del sensor
• ID de ubicación
• ID del dispositivo
• Etc

Conclusión

La adquisición de datos es un componente clave de todos los productos de IoT. Es una disciplina profunda y compleja, y no es necesario ser un experto. Su objetivo como PM es comprender cómo funciona la tecnología y cómo encajan las piezas para que pueda tener conversaciones productivas con los ingenieros.

Su enfoque no debe estar en el proceso de adquisición de datos en sí, sino en los elementos de su estrategia de datos, incluida la cantidad de datos que producirá, la cantidad que transfiere y, lo que es más importante, cómo brindará valor a su cliente con esto. datos.