Manipulación de los datos en los sensores inteligentes

Los sensores inteligentes ya no se limitan a pasar una señal de medición eléctrica sino que además recogen, convierten y procesan datos y ofrecen comunicación entre máquinas. Esta tendencia ha desdibujado la definición tradicional del dispositivo periférico para dar lugar a la noción de borde extremo que utiliza sensores inteligentes

que gestionan la carga de procesamiento, la inteligencia, el procesamiento de datos y otras funciones para aumentar el rendimiento general y mejorar la eficiencia energética. Además, la potencia computacional local de los sensores inteligentes permite el mantenimiento predictivo, mejoras en la productividad y una fabricación flexible y con capacidad de respuesta.

Arquitectura del sensor inteligente

El diseño de los sensores inteligentes tiene tres aspectos importantes: la adquisición, el procesamiento y la comunicación de los datos. Como mínimo, un sensor inteligente está compuesto por un elemento sensor, un microprocesador y una tecnología de comunicación. También incorpora elementos definidos por software que proporcionan la conversión de datos, el procesamiento digital y la comunicación con dispositivos externos y la nube. Un sensor inteligente puede admitir varias tecnologías de detección en casos más avanzados, gestionando y entregando múltiples valores de medición.

La Figura 1 ofrece un ejemplo genérico de la arquitectura de un sensor inteligente con las funciones más comunes. El acondicionamiento de señal en un nodo de sensor inteligente comienza con la función esencial del sensor. Muchos de ellos producen salidas analógicas de bajo nivel que requieren un acondicionamiento de señal de precisión para preservar la información crucial que reúnen. Las funciones de acondicionamiento de señal incluyen la excitación del sensor, la amplificación de la señal, el filtrado antialias, el filtrado de paso bajo y paso alto, la linealización y una función a menudo olvidada pero esencial: el aislamiento.

Figura 1: Arquitectura del sensor inteligente

Se pueden usar varios tipos de dispositivos como unidades de procesamiento: microcontroladores, SoC y FPGA. La elección de cada uno depende de la complejidad y la funcionalidad del sensor inteligente. Las unidades de procesamiento integradas en los sensores inteligentes son mucho más sofisticadas e incorporan fuentes de excitación, convertidores analógico a digital (A-D) y digital a analógico (D-A) de alta resolución, E/S discretas de uso general, arquitecturas rápidas, soporte matemático y modos de bajo consumo. La inteligencia embebida monitoriza continuamente los elementos discretos del sensor, valida los datos de ingeniería proporcionados y verifica periódicamente la calibración y el estado del sensor. La diferencia esencial del sensor inteligente con respecto al sensor integrado con circuito de procesamiento de datos embebido es su capacidad de inteligencia (funciones de autodiagnóstico, autoidentificación o autoadaptación (toma de decisiones)). El uso de un sistema basado en un procesador al interior de los sensores puede dar potencialmente importantes ventajas con respecto a los diseños de sensores simples: mayor precisión, fiabilidad, detección de fallos, gestión avanzada de la energía, ciclo de diseño flexible y funciones adicionales, etc.

Los sensores inteligentes pueden conectarse a través de una serie de interfaces diferentes mediante conexiones sin contacto, ópticas/inductivas o de forma "inalámbrica" mediante la tecnología de radio pasiva o activa. La elección de la interfaz depende de los requisitos y exigencias, como la fuente de alimentación, el alcance y la miniaturización. La función de comunicación/almacenamiento admite las áreas de ensayo de los datos y la conectividad con los servicios en la nube del IoT (cifrado/seguridad, almacenamiento y análisis). Eventualmente el módulo de comunicación gestiona la comunicación entre el sistema de sensores inteligentes y los dispositivos externos (locales, remotos o estaciones de monitorización).

Ecosistema de sensores inteligentes

Un elemento diferenciador del sensor inteligente es su papel en el ecosistema de información y análisis más amplio. La integración de sensores inteligentes en toda la cadena de suministro puede reducir los costes de funcionamiento, aumentar la eficiencia de los activos y mejorar la planificación de la demanda. Luego se utilizan estándares de transmisión (como WiFi, Bluetooth, NFC y RFID, entre otros) para comunicar estos datos a otros sensores, dispositivos de control, plataformas de gestión centralizada o plataformas informáticas distribuidas para la agregación y el análisis de los datos (Figura 2).

Figura 2: Ecosistema de sensores inteligentes

Los datos de los sensores inteligentes suelen procesarse y almacenarse en una base de datos externa o en una plataforma informática en la nube. Por lo general, enviar los datos directamente a la nube también puede ser problemático en sistemas grandes que contienen una variedad de sensores de diferentes proveedores, que pueden utilizar diversos protocolos para transmitir la información. La forma más habitual de obtener datos de los sensores inteligentes es por medio de un dispositivo puente conocido como pasarela. Una pasarela recibe los datos de los sensores y hace que sean utilizables. Los datos se transmiten desde los sensores inteligentes a la pasarela de forma inalámbrica. A continuación, la pasarela convierte los datos de los sensores inteligentes y los envía (de forma inalámbrica por Wi-Fi y LTE o con un cable Ethernet) a una plataforma local o basada en la nube que se haya elegido.

En lugar de procesar y almacenar los datos en la nube, los usuarios pueden crear un panel de control local mediante una aplicación. Esto permite construir un simple panel de control para visualizar los datos que recibe la pasarela sin necesidad de abonarse a una de las plataformas en la nube.

Un factor clave para aprovechar todo el potencial de la tecnología de los sensores inteligentes es la forma en la que puede vincularse con la asistencia técnica a distancia. Las capacidades de comunicación digital permiten a los especialistas en aplicaciones y productos acceder a los archivos de configuración de los sensores. Se puede cargar y descargar la configuración de un sensor específico mediante un protocolo de comunicación o una herramienta de comunicación de sensores externa. Los técnicos pueden modificar a distancia los ajustes de los sensores según las nuevas exigencias y requisitos de la aplicación, evaluando un archivo de configuración de los sensores que se ha descargado desde el lugar de la aplicación, la fábrica o el laboratorio. Esto permite la simulación y evaluación remotas del comportamiento de los sensores y el diagnóstico por parte de expertos técnicos, lo que puede contribuir a la hora de configurar o afinar los sensores en la fase de diseño.

Para obtener información adicional sobre los sensores inteligentes y las tendencias clave en el desarrollo de los sensores, lea el informe "Los sensores inteligentes hacen posible el internet de las cosas".