Las aplicaciones del Internet de las Cosas (IoT) -ya sea para infraestructuras urbanas, fábricas o dispositivos portátiles- utilizan grandes conjuntos de sensores que recogen datos para transmitirlos a través de Internet a un recurso informático central basado en la nube. El software de análisis que se ejecuta en los ordenadores de 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 IO, pero no son tipos convencionales que simplemente convierten variables físicas en señales eléctricas. Han tenido que evolucionar hasta convertirse en algo más sofisticado para desempeñar un papel técnica y económicamente viable dentro del entorno del IoT.

Este artículo revisa las expectativas del IoT respecto a sus sensores: lo que hay que hacer para conseguir el gran conjunto de sensores característico del IoT. A continuación, aborda cómo los fabricantes han respondido con mejoras en la fabricación, más integración e inteligencia incorporada, culminando en el concepto de los sensores inteligentes que ahora se utilizan ampliamente.

Se hará evidente que la inteligencia de los sensores, además de facilitar la conectividad del IoT, también crea muchos más beneficios relacionados con el mantenimiento predictivo, la fabricación más flexible y la mejora de la productividad.

¿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. Aunque esta funcionalidad es un punto de partida esencial, los sensores necesitan añadir las siguientes propiedades para funcionar como componentes del IoT:

• Bajo coste, para que puedan desplegarse económicamente en grandes cantidades

• Físicamente pequeños, para «desaparecer» discretamente en cualquier entorno

• Inalámbricos, ya que una conexión por cable no suele ser posible

• Autoidentificación y autovalidación

• Muy bajo consumo, por lo que puede sobrevivir durante años sin un cambio de batería, o gestionarse con recolección de energía

• Robusto, para minimizar o eliminar el mantenimiento

• Autodiagnóstico y autocuración

• Autocalibración, o acepta comandos de calibración a través de un enlace inalámbrico

• Preprocesamiento de datos, para reducir la carga de las pasarelas, los PLC y los recursos de la nube

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

La respuesta de los fabricantes: Soluciones de sensores inteligentes

En esta sección se examinan los sensores inteligentes que se han desarrollado para las aplicaciones del IoT, tanto en lo que respecta a sus bloques de construcción como a su fabricación, y luego se revisan 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 incorpora un sensor inteligente moderno y de qué es capaz?

Los sensores inteligentes se construyen como componentes del IoT que convierten la variable del mundo real que están midiendo en un flujo de datos digital para su transmisión a una pasarela. La figura 1 muestra cómo lo hacen. Los algoritmos de aplicación los realiza una unidad de microprocesador (MPU) integrada. Estos pueden ejecutar el filtrado, la compensación y cualquier otra tarea de acondicionamiento de la señal específica del proceso.

La inteligencia de la MPU puede utilizarse también para muchas otras funciones a fin de reducir la carga de los recursos más centrales del IoT; por ejemplo, los datos de calibración pueden enviarse 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 se produzca un fallo catastrófico.

Si se considera oportuno, el sensor podría funcionar en modo «informe por excepción», en el que sólo transmite datos si el valor de la variable medida cambia significativamente con respecto a los valores de muestra anteriores. Esto reduce tanto la carga del recurso informático central como los requisitos de energía del sensor inteligente, lo que suele ser una ventaja crítica, ya que el sensor debe depender de una batería o de la recolección de energía en ausencia de alimentación conectada.

Si el sensor inteligente incluye dos elementos en la sonda, puede incorporarse el autodiagnóstico del sensor. Cualquier deriva en desarrollo en una de las salidas de los elementos del sensor puede detectarse 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 trabajan juntos para mejorar la retroalimentación de la supervisión.

Sensor inteligente: Un ejemplo práctico

Una aplicación desarrollada por Texas Instruments proporciona un ejemplo práctico de un sensor inteligente, y cómo sus bloques de construcción trabajan juntos para generar información útil a partir de la medición analógica de la corriente y la temperatura, además de proporcionar la inteligencia para las otras funciones mencionadas. La aplicación utiliza una variante de su gama de MCUs MSP430 de muy bajo consumo para construir un indicador de fallos inteligente para las redes de distribución de energía eléctrica.

Cuando se instalan correctamente, los indicadores de fallos reducen los costes de explotación y las interrupciones del servicio al proporcionar información sobre una sección de la red que falla. Al mismo tiempo, el dispositivo aumenta la seguridad y reduce los daños en los equipos al disminuir la necesidad de procedimientos peligrosos de diagnóstico de averías. Los indicadores de avería, debido a su ubicación, funcionan principalmente con pilas, por lo que también es muy deseable su funcionamiento de bajo consumo.

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

La conexión continua con la estación principal tiene varias ventajas. La primera es la capacidad de supervisar a distancia las condiciones de las averías en lugar de buscarlas en el campo. Un indicador de averías inteligente también puede supervisar constantemente la temperatura y la corriente, de modo que el controlador de la estación principal disponga de información sobre el estado de la red de distribución de energía en tiempo real. De este modo, los proveedores de servicios eléctricos pueden identificar rápidamente la ubicación de la avería, minimizar el tiempo de interrupción del suministro eléctrico e incluso tomar medidas antes de que se produzca un fallo. Los trabajadores de la estación principal pueden realizar diagnósticos en los indicadores de avería a los intervalos necesarios para comprobar que funcionan correctamente.

La figura 2 es un diagrama de bloques funcional de un indicador de fallos inteligente de este tipo basado en el microcontrolador (MCU) de memoria ferroeléctrica de acceso aleatorio (FRAM) MSP430 de TI. El transductor de corriente produce una tensión analógica proporcional a la corriente de la línea eléctrica. Un amplificador operacional (op amp) amplifica y filtra esta señal de tensión. El convertidor analógico-digital (ADC) de la MCU muestrea la salida del amplificador operacional. El flujo digital del ADC es analizado por el software que se ejecuta en la CPU o el acelerador. La salida del amplificador óptico también está conectada a un comparador en la MCU. El comparador genera un indicador para la unidad central de procesamiento (CPU) en la MCU si el nivel de entrada transgrede un umbral predeterminado.

La potencia de cálculo del MSP430 permite un análisis de medición de la 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 la FRAM permiten la acumulación de datos para el análisis de patrones, mientras que los modos de funcionamiento de ultra bajo consumo de la MCU permiten un funcionamiento con mayor duración de la batería.

Fabricación

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

Los sensores inteligentes se forman cuando los elementos de los sensores del sistema microelectromecánico (MEMS) se integran estrechamente con los circuitos integrados (CI) CMOS. Estos circuitos integrados proporcionan la polarización del dispositivo, la amplificación de la señal y otras funciones de procesamiento de la señal. En un principio, la tecnología de envasado al vacío a nivel de oblea (WLVP) sólo incluía dispositivos sensores discretos, y los sensores inteligentes se realizaban conectando los chips MEMS discretos a los chips IC a través del envase o el sustrato de la placa en un enfoque denominado integración multichip. Un enfoque mejorado interconecta el CI CMOS 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 discreto de varios chips, el SoC suele ser más complejo, pero conduce a una reducción de parásitos, huellas más pequeñas, mayores densidades de interconexión y menores costes de empaquetado.

Otras ventajas de la inteligencia de los 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 pueden ser programados a distancia con los parámetros adecuados cada vez que se requiera un cambio de producto. La producción, la inspección, el embalaje y la expedición pueden ajustarse incluso para lotes de una sola unidad a precios de producción en serie, de modo que cada consumidor puede recibir un producto personalizado y único.

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

La matriz MR mide la salida de los sensores MR montados a lo largo de la dirección de desplazamiento del imán. La salida y la secuencia de sensores MR determinan el par de sensores más cercano al centro de la ubicación del imán. La salida de este par se utiliza entonces 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 otros requisitos de los sensores inteligentes de IoT. Su pequeño tamaño permite su instalación en lugares con poco espacio, mientras que las opciones de sellado IP67 e IP69K permiten su despliegue en entornos difíciles. Son lo suficientemente inteligentes como para sustituir 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 capacidad de autodiagnóstico y reparación

Los sensores inteligentes también pueden ser adecuados para aplicaciones críticas de seguridad como la detección de gases peligrosos, incendios o intrusos. Las condiciones en estos entornos pueden ser duras, y los sensores pueden ser de difícil acceso para el mantenimiento o la sustitución de la batería, pero una alta fiabilidad es fundamental. Un equipo del Centro de Investigación Lab-STICC de la Universidad de South-Brittany ha desarrollado una solución que mejora la fiabilidad mediante el uso de sondas duales y un hardware capaz de autodiagnosticarse y repararse a sí mismo.

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 zonas como puertos o almacenes. El proyecto se centra en un nodo capaz de detectar un fallo interno y tomar medidas correctivas para mejorar tanto la fiabilidad como la eficiencia energética. Esto reduce la vulnerabilidad del nodo y alivia los costes de mantenimiento. El diseño reconoce las limitaciones de este tipo de sensores: autonomía restringida de la batería, recolección de energía sujeta a un comportamiento poco fiable de la fuente de energía, recursos limitados de procesamiento y almacenamiento, y necesidad de comunicaciones inalámbricas.

El nodo está equipado con dos sensores; durante el funcionamiento normal, el primero captura los datos ambientales mientras que el segundo sólo es activado por los usuarios para verificar los datos obtenidos. Si el primer sensor falla, la fiabilidad del nodo disminuye, 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 fiabilidad del nodo.

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 la acción correctiva adecuada.

La figura 3 muestra la configuración de hardware del nodo sensor autoconfigurable. 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 potencia (convertidores DC-DC). El nodo también incluye un gestor de potencia y disponibilidad (PAM) combinado con una zona configurable por la 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.

La tabla de la figura 4 muestra cómo el nodo sensor puede responder a varios problemas del nodo. La FPGA contiene una CPU 8051 de núcleo blando que se activa cuando se necesita mejorar el rendimiento o para sustituir al procesador principal si éste falla. La FPGA es una Actel tipo IGL00V2, elegida por su fiabilidad y bajo consumo. El resto del nodo se compone de un procesador PIC, una memoria RAM, un módulo transceptor de radio Miwi, dos detectores de gas Oldham OLCT 80, interruptores de potencia LM3100 y MAX618 y una batería.

Conclusión

En este artículo hemos visto cómo los fabricantes de chips y los investigadores han ido respondiendo a la necesidad de sensores inteligentes del IoT. Esto ha sido en parte una cuestión de añadir inteligencia y capacidades de comunicación a la función básica del transductor, pero también implica una fabricación mejorada. Al integrar los elementos de los sensores MEMS y los componentes informáticos CMOS en un único sustrato, los sensores inteligentes pueden implementarse en paquetes pequeños y de bajo coste que pueden integrarse en aplicaciones con limitaciones de espacio con resistencia a sus condiciones ambientales.

En consecuencia, los diseñadores de la IO pueden obtener los sensores que necesitan: pequeños, baratos, resistentes y de bajo consumo para su despliegue omnipresente, a la vez que tienen la inteligencia necesaria para ofrecer información útil además de datos brutos. También facilitan una automatización más flexible y granular, ya que pueden aceptar órdenes de recalibración para adaptarse a los cambios de producción.

Este artículo ha sido elaborado por Newark element 14, Chicago, IL. Para obtener más información, haga clic aquí.