Sensores inteligentes avanzados que impulsan el futuro de IoT

Las aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), ya sea para infraestructuras urbanas, fábricas o dispositivos portátiles, utilizan grandes conjuntos de sensores que recopilan datos para transmitirlos a través de Internet a un recurso informático central basado en la nube. El software de análisis que se ejecuta en las computadoras en la nube reduce los enormes volúmenes de datos generados en información procesable para los usuarios y comandos para los actuadores en el campo.

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

Este artículo revisa las expectativas de IoT sobre sus sensores:lo que se debe hacer para lograr las características de IoT de gran conjunto de sensores. Luego aborda cómo los fabricantes han respondido con mejoras en la fabricación, más integración e inteligencia incorporada, culminando en el concepto de sensores inteligentes que ahora se utilizan ampliamente.

Será evidente que la inteligencia de sensores, además de facilitar la conectividad IoT, también crea muchos más beneficios relacionados con el mantenimiento predictivo, una fabricación más flexible y una 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 las propiedades eléctricas. Si bien esta funcionalidad es un punto de partida esencial, los sensores deben agregar las siguientes propiedades para funcionar como componentes de IoT:

• Bajo coste, por lo que pueden implementarse económicamente en grandes cantidades

• Físicamente pequeño, para “desaparecer” discretamente en cualquier entorno

• Inalámbrica, ya que normalmente no es posible una conexión por cable

• Autoidentificación y autovalidación

• Consumo muy bajo, por lo que puede sobrevivir durante años sin cambiar la batería o gestionarse con recolección de energía

• Robusto, para minimizar o eliminar el mantenimiento

• Autodiagnóstico y autocuración

• Se autocalibra o acepta comandos de calibración a través de un enlace inalámbrico

• Preprocesamiento de datos para reducir la carga en gateways, PLC y recursos en la nube

La información de múltiples sensores se puede combinar y correlacionar para inferir conclusiones sobre problemas latentes; por ejemplo, los datos del sensor de temperatura y del sensor de vibración se pueden usar para detectar la aparición de una falla mecánica. En algunos casos, las dos funciones del sensor están disponibles en un solo dispositivo; en otros, las funciones se combinan en software para crear un sensor "suave".

La respuesta de los fabricantes:soluciones de sensores inteligentes

Esta sección analiza los sensores inteligentes que se han desarrollado para aplicaciones de IoT en términos tanto de sus componentes básicos como de su fabricación, y luego revisa algunas de las ventajas que se derivan de la inteligencia incorporada de los sensores, especialmente las posibilidades de autodiagnóstico y reparación.

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

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

Los sensores inteligentes se construyen como componentes de IoT que convierten la variable del mundo real que están midiendo en un flujo de datos digitales para su transmisión a una puerta de enlace. La figura 1 muestra cómo lo hacen. Los algoritmos de aplicación se realizan mediante una unidad de microprocesador (MPU) incorporada. Estos pueden ejecutar filtrado, compensación y cualquier otra tarea de acondicionamiento de señales específica del proceso.

Figura 1. Bloques de construcción de sensores inteligentes. (Imagen:©Premier Farnell Ltd.)

La inteligencia de la MPU se puede utilizar para muchas otras funciones, así como para reducir la carga de los recursos más centrales de IoT; por ejemplo, los datos de calibración se pueden enviar a la MPU para que el sensor se configure automáticamente para cualquier cambio de producción. La MPU también puede detectar cualquier parámetro de producción que comience a desviarse más allá de las normas aceptables y generar advertencias en consecuencia; Los operadores pueden entonces tomar medidas preventivas antes de que ocurra una falla catastrófica.

Si corresponde, el sensor podría funcionar en modo "informe por excepción", donde solo transmite datos si el valor de la variable medida cambia significativamente con respecto a los valores de muestra anteriores. Esto reduce tanto la carga en el recurso informático central como los requisitos de energía del sensor inteligente, lo que suele ser un beneficio crítico, ya que el sensor debe depender de una batería o de la recolección de energía en ausencia de energía conectada.

Si el sensor inteligente incluye dos elementos en la sonda, se pueden incorporar autodiagnósticos del sensor. Cualquier desviación que se desarrolle en una de las salidas del elemento del sensor se puede detectar inmediatamente. Además, si un sensor falla por completo (por ejemplo, debido a un cortocircuito), el proceso puede continuar con el segundo elemento de medición. Alternativamente, una sonda puede contener dos sensores que funcionan juntos para mejorar la retroalimentación de monitoreo.

Sensor inteligente:un ejemplo práctico

Una aplicación desarrollada por Texas Instruments proporciona un ejemplo práctico de un sensor inteligente y cómo sus componentes básicos trabajan juntos para generar información útil a partir de mediciones analógicas de corriente y temperatura, además de proporcionar inteligencia para las otras funciones mencionadas. La aplicación utiliza una variante de su gama de MCU MSP430 de consumo ultrabajo para crear un indicador de fallas inteligente para redes de distribución de energía eléctrica.

Cuando se instalan correctamente, los indicadores de fallas reducen los costos operativos y las interrupciones del servicio al proporcionar información sobre una sección fallida de la red. Al mismo tiempo, el dispositivo aumenta la seguridad y reduce los daños al equipo al reducir la necesidad de procedimientos peligrosos de diagnóstico de fallas. Los indicadores de fallas, debido a su ubicación, funcionan principalmente con baterías, por lo que también es muy recomendable su funcionamiento con bajo consumo de energía.

Los indicadores de falla, que están instalados en las uniones de la red eléctrica aérea, envían datos de medición sobre la temperatura y la corriente en las líneas de transmisión de energía de forma inalámbrica a las unidades terminales/concentradores montadas en los postes. Los concentradores utilizan un módem GSM para pasar los datos a la red celular para transmitir información en tiempo real a la estación principal. La estación principal también puede controlar y ejecutar diagnósticos en los indicadores de falla a través de esta misma ruta de datos.

La conexión continua a la estación principal tiene varias ventajas. La primera es la capacidad de monitorear remotamente las condiciones de falla en lugar de buscarlas en el campo. Un indicador de falla inteligente también puede monitorear constantemente la temperatura y la corriente para que el controlador de la estación principal tenga información de estado en tiempo real sobre la red de distribución de energía. En consecuencia, los proveedores de servicios públicos de energía pueden identificar rápidamente la ubicación de la falla, minimizar el tiempo de inactividad del suministro eléctrico e incluso tomar medidas antes de que ocurra una falla. Los trabajadores de la estación principal pueden ejecutar diagnósticos en los indicadores de fallas a los intervalos requeridos para verificar que estén funcionando correctamente.

Figura 2. Diagrama de bloques funcional de un indicador de fallas inteligente basado en la MCU FRAM MSP430. (Imagen:Instrumentos de Texas)

La Figura 2 es un diagrama de bloques funcional de un indicador de falla inteligente basado en el microcontrolador (MCU) ferroeléctrico de memoria de acceso aleatorio (FRAM) TI MSP430. El transductor de corriente produce un voltaje analógico proporcional a la corriente de la línea eléctrica. Un amplificador operacional (op amp) amplifica y filtra esta señal de voltaje. El convertidor analógico a digital (ADC) de la MCU muestrea la salida del amplificador operacional. Luego, el flujo digital del ADC se analiza mediante un software que se ejecuta en la CPU o el acelerador. La salida del amplificador operacional también está conectada a un comparador en la MCU. El comparador genera una bandera a la unidad central de procesamiento (CPU) en la MCU si el nivel de entrada transgrede un umbral predeterminado.

La potencia informática del MSP430 permite un análisis de medición de corriente en el dominio de la frecuencia que proporciona una visión más profunda del estado de la línea eléctrica que los métodos anteriores en el dominio del tiempo. Las rápidas velocidades de lectura y escritura de FRAM permiten la acumulación de datos para el análisis de patrones, mientras que los modos de funcionamiento de consumo de energía ultrabajo de la MCU permiten una operación de mayor duración de la batería.

Fabricación

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

Los sensores inteligentes se forman cuando los elementos del sensor del sistema microelectromecánico (MEMS) están estrechamente integrados con circuitos integrados (CI) CMOS. Estos circuitos integrados proporcionan polarización del dispositivo, amplificación de señal y otras funciones de procesamiento de señales. Originalmente, la tecnología de envasado al vacío a nivel de oblea (WLVP) utilizada incluía solo dispositivos sensores discretos, y los sensores inteligentes se realizaban conectando chips MEMS discretos a chips IC a través del paquete o sustrato de la placa en un enfoque llamado integración de múltiples chips. Un enfoque mejorado interconecta el CMOS IC y los elementos del sensor directamente, sin el uso de capas de enrutamiento en el paquete o placa, en una construcción conocida como sistema en chip (SoC). En comparación con el enfoque de empaquetado de múltiples chips discretos, el SoC suele ser más complejo, pero genera menos parásitos, huellas más pequeñas, mayores densidades de interconexión y menores costos de paquete.

Otras ventajas de la inteligencia de sensores inteligentes

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

Se mejora la flexibilidad de fabricación, una ventaja vital en el entorno competitivo actual. Los sensores inteligentes se pueden programar de forma remota con parámetros adecuados cada vez que se requiere un cambio de producto. La producción, la inspección, el embalaje y el envío se pueden configurar incluso para lotes de una sola unidad a precios de producción en masa, de modo que cada consumidor pueda recibir un producto único y personalizado.

La retroalimentación de los sensores de posición lineal tradicionalmente se ha visto obstaculizada por problemas relacionados con el ruido del sistema, la atenuación de la señal y la dinámica de respuesta. Cada sensor necesitaba ajustes para superar estos problemas. Honeywell ofrece una solución con sus sensores de posición inteligentes SPS-L075-HALS. Estos pueden autocalibrarse mediante el uso de una combinación patentada de un ASIC y una serie de sensores MR (magnetorresistivos). Esto determina de forma precisa y fiable la posición de un imán unido a objetos en movimiento como ascensores, válvulas o maquinaria.

La matriz de RM mide la salida de los sensores de RM montados a lo largo de la dirección de viaje del imán. La salida y la secuencia del sensor MR determinan el par de sensores más cercano al centro de la ubicación del imán. La salida de este par se utiliza luego para determinar la posición del imán entre ellos. Esta tecnología sin contacto puede proporcionar una mayor vida útil y durabilidad del producto con menos tiempo de inactividad. Una función de autodiagnóstico puede reducir aún más los niveles de tiempo de inactividad.

Estos sensores también cumplen con otros requisitos de sensores inteligentes de IoT. Su pequeño tamaño permite la instalación donde el espacio es escaso, mientras que las opciones de sellado IP67 e IP69K permiten la implementación en entornos hostiles. Son lo suficientemente inteligentes como para reemplazar varios componentes de sensores e interruptores junto con el cableado adicional, los componentes externos y las conexiones que también se necesitaban anteriormente. Los sensores se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, médicas e industriales.

Sensores inteligentes con capacidades de autodiagnóstico y reparación

Los sensores inteligentes también pueden ser adecuados para aplicaciones críticas para la seguridad, como la detección de gases peligrosos, incendios o intrusos. Las condiciones en estos entornos pueden ser duras y puede resultar difícil acceder a los sensores para realizar mantenimiento o reemplazar la batería, pero una alta confiabilidad es fundamental. Un equipo del Centro de Investigación Lab-STICC de la Universidad del Sur de Bretaña ha estado desarrollando una solución que mejora la confiabilidad mediante el uso de sondas duales y hardware que puede autodiagnosticarse y repararse por sí solo.

El objetivo final de su proyecto es integrar todos los elementos descritos en un único dispositivo discreto, adecuado para aplicaciones como la detección de gases peligrosos en áreas como puertos o almacenes. El proyecto se centra en un nodo que puede identificar una falla interna y tomar medidas correctivas para mejorar tanto la confiabilidad como la eficiencia energética. Esto reduce la vulnerabilidad del nodo y alivia los costos de mantenimiento. El diseño reconoce las limitaciones de dichos sensores:autonomía restringida de la batería, recolección de energía sujeta a un comportamiento de fuente de energía poco confiable, recursos limitados de procesamiento y almacenamiento y la necesidad de comunicaciones inalámbricas.

Figura 3. Configuración de hardware de un nodo sensor inalámbrico. (Imagen:©Premier Farnell Ltd.)

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

Por ello, el objetivo del proyecto era desarrollar un novedoso autodiagnóstico 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 del nodo ha fallado e indicar una acción correctiva adecuada.

La Figura 3 muestra la configuración de hardware del nodo sensor autorreconfigurable. Sus componentes incluyen un procesador, una memoria RAM/FLASH, una interfaz para actuadores 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 alimentación (convertidores CC-CC). El nodo también incluye un Administrador de energía y disponibilidad (PAM) combinado con una zona configurable por FPGA. El primero se considera la parte inteligente para el mejor uso de la energía, el autodiagnóstico y la tolerancia a fallos, mientras que el otro mejora la disponibilidad del nodo sensor.

Figura 4. Problemas y acciones correctivas para un nodo sensor de autodiagnóstico. (Imagen:©Premier Farnell Ltd.)

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

Conclusión

En este artículo, hemos visto cómo los fabricantes e investigadores de chips han estado respondiendo a la necesidad de sensores inteligentes del IoT. Esto ha sido en parte una cuestión de agregar capacidades de inteligencia y comunicaciones a la función básica del transductor, pero también implica mejorar la fabricación. Al integrar los elementos del sensor MEMS y los componentes informáticos CMOS en un único sustrato, se pueden implementar sensores inteligentes en paquetes pequeños y de bajo costo que pueden integrarse en aplicaciones con espacio limitado y ser resistentes a sus condiciones ambientales.

En consecuencia, los diseñadores de IoT pueden obtener los sensores que necesitan:pequeños, baratos, resistentes y de bajo consumo de energía para su implementación ubicua, y al mismo tiempo tienen la inteligencia para entregar información útil, así como datos sin procesar. También facilitan una automatización granular más flexible, ya que pueden aceptar comandos entrantes para recalibración y adaptarse a los cambios de producción.

Este artículo fue contribuido por el elemento 14 de Newark, Chicago, IL. Para obtener más información, haga clic aquí  .