Sensores inteligentes avanzados impulsando el futuro del IoT

Las aplicaciones del Internet de las Cosas (IoT) —ya sea para infraestructuras urbanas, fábricas o dispositivos portables— usan grandes arrays de sensores que recopilan datos para transmisión por Internet a un recurso de computación central basado en la nube. Software analítico en los ordenadores de la nube reduce los enormes volúmenes de datos generados en información accionable para usuarios, y órdenes a actuadores de vuelta en el campo.

Los sensores son un factor clave en el éxito del IoT, pero no son tipos convencionales que simplemente convierten variables físicas en señales eléctricas. Han necesitado evolucionar a algo más sofisticado para desempeñar un papel técnicamente y económicamente viable dentro del entorno IoT.

Este artículo repasa las expectativas del IoT sobre sus sensores —qué debe hacerse para lograr la característica de gran array de sensores del IoT. Luego aborda cómo los fabricantes han respondido con mejoras en fabricación, más integración e inteligencia integrada, culminando en el concepto de sensores inteligentes ahora en amplio uso.

Quedará evidente que la inteligencia del sensor, además de facilitar la conectividad IoT, crea muchos más beneficios relacionados con mantenimiento predictivo, fabricación más flexible y productividad mejorada.

¿Qué espera el IoT de sus sensores?

Los sensores han sido tradicionalmente dispositivos funcionalmente simples que convierten variables físicas en señales eléctricas o cambios en propiedades eléctricas. Aunque esta funcionalidad es un punto de partida esencial, los sensores necesitan añadir las siguientes propiedades para actuar como componentes IoT:

• Bajo coste, para despliegue económico en grandes cantidades
• Físicamente pequeños, para "desaparecer" sin llamar la atención en cualquier entorno
• Inalámbricos, ya que una conexión cableada típicamente no es posible
• Auto-identificación y auto-validación
• Consumo muy bajo, para sobrevivir años sin cambio de batería, o gestionar con recolección de energía
• Robustos, para minimizar o eliminar mantenimiento
• Auto-diagnóstico y auto-reparación
• Auto-calibración, o acepta órdenes de calibración vía enlace inalámbrico
• Pre-procesamiento de datos, para reducir carga en gateways, PLCs y recursos en la nube

La información de múltiples sensores puede combinarse y correlacionarse para inferir conclusiones sobre problemas latentes; por ejemplo, datos de sensores de temperatura y vibración pueden detectar el inicio de fallo mecánico. En algunos casos, las dos funciones de sensor están disponibles en un dispositivo; en otros, se combinan en software para crear un sensor "suave".

Respuesta de los fabricantes: soluciones de sensores inteligentes

Esta sección examina los sensores inteligentes desarrollados para aplicaciones IoT en términos de sus bloques constructivos y fabricación, y luego repasa algunas ventajas que se derivan de la inteligencia integrada de los sensores, especialmente las posibilidades de auto-diagnóstico y reparación.

¿Qué hay en un sensor inteligente y qué es capaz de hacer?

Hemos repasado las expectativas del IoT sobre un sensor inteligente, pero ¿cómo ha respondido la industria? ¿Qué lleva integrado un sensor inteligente moderno y qué es capaz de hacer?

Los sensores inteligentes se construyen como componentes IoT que convierten la variable del mundo real que miden en un flujo de datos digital para transmisión a un gateway. La Figura 1 muestra cómo lo hacen. Los algoritmos de aplicación son realizados por una unidad de microprocesador integrada (MPU). Estos pueden ejecutar filtrado, compensación y cualquier otra tarea de acondicionamiento de señal específica del proceso.

La inteligencia de la MPU puede usarse para muchas otras funciones para reducir la carga en los recursos más centrales del IoT; por ejemplo, datos de calibración pueden enviarse a la MPU para que el sensor se configure automáticamente ante cambios de producción. La MPU también puede detectar parámetros de producción que empiezan a derivar más allá de normas aceptables y generar avisos; los operadores pueden entonces tomar acción preventiva antes de un fallo catastrófico.

Si es apropiado, el sensor podría trabajar en modo "informe por excepción", donde solo transmite datos si el valor de la variable medida cambia significativamente de valores de muestra previos. Esto reduce tanto la carga en el recurso de computación central como los requisitos de energía del sensor inteligente —generalmente un beneficio crítico, ya que el sensor debe depender de una batería o recolección de energía en ausencia de alimentación conectada.

Si el sensor inteligente incluye dos elementos en la sonda, se puede integrar auto-diagnóstico. Cualquier deriva en desarrollo en una de las salidas del elemento sensor puede detectarse inmediatamente. Además, si un sensor falla completamente —por ejemplo, por cortocircuito— el proceso puede continuar con el segundo elemento de medición. Alternativamente, una sonda puede contener dos sensores que trabajan juntos para monitorización mejorada.

Ejemplo práctico: indicador de fallo inteligente

Una aplicación desarrollada por Texas Instruments proporciona un ejemplo práctico de sensor inteligente y cómo sus bloques trabajan juntos para generar información útil a partir de medición analógica de corriente y temperatura, así como proporcionar la inteligencia para las otras funciones mencionadas. La aplicación usa una variante de su rango MSP430 MCU de ultra-bajo consumo para construir un indicador de fallo inteligente para redes de distribución eléctrica.

Cuando se instalan correctamente, los indicadores de fallo reducen costes operativos e interrupciones de servicio proporcionando información sobre una sección fallida de la red. Al mismo tiempo, el dispositivo aumenta la seguridad y reduce daños en equipos reduciendo la necesidad de procedimientos peligrosos de diagnóstico de fallos. Los indicadores, por su ubicación, funcionan principalmente con batería, por lo que la operación de bajo consumo es altamente deseable.

Los indicadores —instalados en uniones de la red aérea de líneas de potencia— envían datos de medición sobre temperatura y corriente en líneas de transmisión de potencia inalámbricamente a unidades concentradoras/terminales en los postes. Los concentradores usan un módem GSM para pasar los datos a la red celular y transmitir información en tiempo real a la estación principal. La estación principal también puede controlar y ejecutar diagnósticos en los indicadores a través de esta misma ruta de datos.

La conexión continua a la estación principal tiene varias ventajas. La primera es la capacidad de monitorizar remotamente condiciones de fallo en lugar de buscarlas en campo. Un indicador inteligente también puede monitorizar constantemente temperatura y corriente para que el controlador en la estación principal tenga información de estado en tiempo real sobre la red de distribución. Así, proveedores de energía pueden identificar rápidamente la ubicación del fallo, minimizar tiempo de inactividad, e incluso actuar antes de que ocurra un fallo. Trabajadores en la estación principal pueden ejecutar diagnósticos en los indicadores a intervalos requeridos para verificar que funcionan correctamente.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques funcional de un indicador de fallo inteligente basado en el microcontrolador MSP430 FRAM de TI. El transductor de corriente produce un voltaje analógico proporcional a la corriente de la línea. Un amplificador operacional amplifica y filtra esta señal. El ADC en el MCU muestrea la salida del amplificador. El flujo digital del ADC es analizado por software en la CPU o acelerador. La salida del amplificador también se conecta a un comparador en el MCU. El comparador genera una bandera a la CPU en el MCU si el nivel de entrada traspasa un umbral predeterminado.

La capacidad de cómputo del MSP430 permite análisis de medición de corriente en dominio de frecuencia que proporciona una visión más profunda del estado de la línea que métodos previos de dominio temporal. Las velocidades rápidas de lectura/escritura FRAM permiten acumulación de datos para análisis de patrones, mientras que los modos de operación de ultra-bajo consumo del MCU permiten operación con vida de batería extendida.

Fabricación

Para realizar el potencial completo del IoT, los métodos de fabricación de sensores deben continuar reduciendo el tamaño, peso, potencia y coste (SWaP-C) del componente y sistema sensor. La misma tendencia debe aplicarse al empaquetado de sensores, que actualmente representa hasta el 80% del coste total y factor de forma.

Los sensores inteligentes se forman cuando elementos de sensores micro-electromecánicos (MEMS) se integran estrechamente con circuitos integrados CMOS (ICs). Estos ICs proporcionan polarización de dispositivo, amplificación de señal y otras funciones de procesamiento de señal. Originalmente, la tecnología de empaquetado al vacío a nivel de wafer (WLVP) usada incluía solo dispositivos sensor discretos, y los sensores inteligentes se realizaban conectando chips MEMS discretos a chips IC a través del paquete o sustrato de placa en un enfoque llamado integración multi-chip. Un enfoque mejorado interconecta el IC CMOS y elementos de sensor directamente, sin capas de enrutamiento en el paquete o placa, en una construcción conocida como system-on-chip (SoC). Comparado con el enfoque de empaquetado multi-chip discreto, SoC es típicamente más complejo pero conduce a parásitos reducidos, huellas más pequeñas, densidades de interconexión más altas, y menores costes de paquete.

Otras ventajas de la inteligencia del sensor inteligente

Los sensores fotoeléctricos inteligentes pueden detectar patrones en una estructura de objeto y cualquier cambio en ellos. Esto ocurre autónomamente en el sensor, no en ningún elemento de computación externo. Esto aumenta el rendimiento de procesamiento y reduce la carga de procesamiento del procesador central o PLC local.

La flexibilidad de fabricación mejora —una ventaja vital en el entorno competitivo actual. Sensores inteligentes pueden programarse remotamente con parámetros adecuados cada vez que se requiere un cambio de producto. Producción, inspección, empaquetado y envío pueden configurarse para tamaños de lote incluso de una unidad a precios de producción en masa, para que cada consumidor reciba un producto personalizado, único.

La realimentación de sensores de posición lineal se ha visto tradicionalmente obstaculizada por problemas de ruido de sistema, atenuación de señal y dinámica de respuesta. Cada sensor necesitaba sintonía para superar estos problemas. Honeywell ofrece una solución con sus Sensores de Posición Inteligentes SPS-L075-HALS. Estos pueden auto-calibrar usando una combinación patentada de un ASIC y un array de sensores MR (magnetorresistivos). Esto determina con precisión y fiabilidad la posición de un imán unido a objetos en movimiento como ascensores, válvulas o maquinaria.

El array MR mide la salida de los sensores MR montados a lo largo de la dirección de desplazamiento del imán. La salida y la secuencia del sensor MR determinan el par más cercano al centro de la ubicación del imán. La salida de este par se usa para determinar la posición del imán entre ellos. Esta tecnología sin contacto puede proporcionar vida y durabilidad mejoradas con menos tiempo de inactividad. Una función de auto-diagnóstico puede reducir aún más los niveles de inactividad.

Estos sensores también cumplen otros requisitos de sensores inteligentes IoT. Su tamaño pequeño permite instalación donde el espacio es escaso, mientras que opciones de sellado IP67 e IP69K permiten despliegue en entornos hostiles. Son lo suficientemente inteligentes para reemplazar varios componentes de sensores e interruptores junto con el cableado extra, componentes externos y conexiones previamente necesarios. Se usan en aplicaciones aeroespaciales, médicas e industriales.

Sensores inteligentes con capacidades de auto-diagnóstico y reparación

Los sensores inteligentes también pueden adaptarse bien a aplicaciones críticas de seguridad como detección de gas peligroso, incendio o intrusos. Las condiciones en estos entornos pueden ser duras, y los sensores pueden ser difíciles de acceder para mantenimiento o cambio de batería, sin embargo la alta fiabilidad es crítica. Un equipo del Centro de Investigación Lab-STICC, Universidad de Bretaña Sur, ha desarrollado una solución que mejora la fiabilidad usando sondas duales y hardware que puede auto-diagnosticarse y repararse.

El objetivo final de su proyecto es integrar todos los elementos descritos en un único dispositivo discreto, adecuado para aplicaciones como detección de gas peligroso en áreas como puertos o almacenes. El proyecto se centra en un nodo que puede identificar un fallo interno y tomar acción correctiva para mejorar tanto la fiabilidad como la eficiencia energética. Esto reduce la vulnerabilidad del nodo y alivia costes de mantenimiento. El diseño reconoce las limitaciones de tales sensores: autonomía de batería restringida, recolección de energía sujeta a comportamiento de fuente poco fiable, recursos limitados de procesamiento y almacenamiento, y necesidad de comunicaciones inalámbricas.

El nodo está equipado con dos sensores; durante operación normal, el primero captura datos ambientales mientras el segundo solo se activa por usuarios para verificar los datos obtenidos. Si el primer sensor fallara, la fiabilidad del nodo se degrada, mientras se desperdicia energía de batería en el sensor no funcional. Sin embargo, si el nodo desconecta el primer sensor y cambia al segundo, no se desperdicia energía y la fiabilidad se mantiene.

En consecuencia, el objetivo del proyecto fue desarrollar un auto-diagnóstico novedoso basado en pruebas funcionales y físicas para detectar un fallo de hardware en cualquier componente del nodo sensor inalámbrico. Este método puede identificar exactamente qué componente ha fallado e indicar acción correctiva adecuada.

La Figura 3 muestra la configuración de hardware del nodo sensor auto-reconfigurable. Sus componentes incluyen un procesador, memoria RAM/FLASH, una Interfaz para Actuador y Sensores (IAS) para interactuar con el entorno, un Módulo Transceptor de Radio (RTM) para transmitir y recibir datos, y una batería con interruptores de potencia (convertidores DC-DC). El nodo también incluye un Gestor de Potencia y Disponibilidad (PAM) combinado con una zona configurable FPGA. El primero se considera la parte inteligente para el mejor uso de energía, auto-diagnóstico y tolerancia a fallos, mientras que el otro mejora la disponibilidad del nodo sensor.

La tabla en la Figura 4 muestra cómo el nodo sensor puede responder a diversos problemas. El FPGA contiene una CPU softcore 8051 que se activa cuando se necesita mejora de rendimiento o para reemplazar el procesador principal si falla. El FPGA es un Actel tipo IGL00V2, elegido por su fiabilidad y bajo consumo. El resto del nodo comprende un procesador PIC, memoria RAM, módulo transceptor Miwi, dos detectores de gas Oldham OLCT 80, interruptores de potencia LM3100 y MAX618, y una batería.

Conclusión

En este artículo hemos visto cómo fabricantes de chips e investigadores han respondido a la necesidad del IoT de sensores inteligentes. Esto ha sido en parte añadir inteligencia y capacidades de comunicación a la función básica de transductor, pero también implica fabricación mejorada. Integrando elementos de sensores MEMS y componentes de cómputo CMOS en un solo sustrato, los sensores inteligentes pueden implementarse en paquetes pequeños y de bajo coste que pueden embeberse en aplicaciones con restricciones de espacio con resiliencia a sus condiciones ambientales.

En consecuencia, los diseñadores de IoT pueden obtener los sensores que necesitan —pequeños, baratos, resistentes y de bajo consumo para despliegue ubicuo, mientras tienen la inteligencia para entregar información útil además de datos en bruto. También facilitan automatización más flexible y granular, ya que pueden aceptar órdenes entrantes para recalibración para acomodar cambios de producción.

Este artículo fue contribuido por Newark element 14, Chicago, IL. Para más información, haga clic aquí.