Implementar módulos de sensor

La Internet de las cosas (IoT) promete habilitar muchas nuevas aplicaciones y servicios para los consumidores y las empresas. Mientras que, como consumidores, estamos empezando a ver que IoT ingresa en nuestros hogares, muchos expertos creen que los sectores que se beneficiarán en mayor medida son los de fabricación industrial, donde la frase Internet de las cosas (IIoT) se ha hecho increíblemente popular. Como cualquier aplicación basada en IoT, dependerá del gran arsenal de sensores y actuadores remotos para traer la IIoT a la vida. IIoT ofrecerá visibilidad de datos de las operaciones de fabricación y de proceso en una escala nunca antes posible. Además, mostrará la eficiencia y el rendimiento de los equipos utilizados para la fabricación, donde la implementación de un régimen de mantenimiento predictivo es una idea perfecta. Mientras que los sensores utilizados para este tipo de aplicaciones podrían ser componentes simples, pequeños, pasivos y/o de semiconductores, el entorno industrial, en el que necesitan funcionar está sujeto a condiciones extremas de temperatura, vibración y humedad. La necesidad de desplegar rápidamente los sensores y dispositivos de nodo de borde que puedan funcionar en estas condiciones hace que muchos desarrolladores IoT adopten un enfoque basado en módulo para la integración de sensores en sus diseños. 

Hay varias razones para el uso de un módulo considerando los desafíos asociados con el uso de un enfoque discreto. Por ejemplo, la medición de la temperatura puede lograrse mediante un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) conectado en serie con un resistor para producir una salida de voltaje que varía con la temperatura ambiente. El voltaje de unión resultante podría ser leídos por un convertidor de analógico a digital (ADC) del microcontrolador host y una fórmula utilizada para calcular la temperatura. Sin embargo, la característica de temperatura/resistencia de los termistores NTC no es lineal, requiriendo un mejor ajuste de linearización en todo el rango de temperaturas de funcionamiento. Existe también la cuestión de la compensación de temperatura y las características de deriva que deben aplicarse. Este procesamiento adicional realizado por el microcontrolador host exige más recursos MCU, y y requiere que cada dispositivo de sensor final deba calibrarse durante la fabricación. Otra consideración importante es el embalaje utilizado para encapsular la resistencia NTC para asegurarse de que los componentes necesarios estén protegidos contra los factores ambientales.

Figura 1: Sensor de temperatura y humedad SHT35.

Por otro lado se encuentra el módulo de temperatura, como por ejemplo, el sensor de humedad y temperatura digital SHT35 de Sensirion (Figura 1). Este dispositivos de montaje en superficie de de baja potencia mide sólo 2,5 x 2,5 x 0,9 mm, funciona con una tensión de alimentación de entre 2,4 y 5,5 V de_CC, y necesita 800 µA durante la medición, y sólo 0,2 µA durante el reposo. Dentro de este paquete en miniatura se ubica un sensor capacitivo para la medición de la humedad y un sensor de bandgap para la temperatura. El sensor puede medir temperaturas de -40 a +125 °C y de 0 a +100% de humedad relativa. Los elementos sensores pueden proporcionan una salida digital totalmente calibrada y están conectados al circuito de procesamiento de señal y un ADC de 14 bits que tiene una precisión de temperatura de +/- 0,3°C y +/- 2% de humedad relativa.

Figura 2: Microcontrolador SHT35 de comunicación al host de Sensirion

La comunicación con un microcontrolador host se ilustra en la figura 2. Esto se logra a través de una interfaz serial I²C con la adición mínima de resistencias de pull-up y un condensador de desconexión. La medición de la temperatura y la humedad se lleva a cabo mediante los comandos como se indica en la figura 3. Una vez que los datos del sensor se hayan leído, se transmite como dos bytes más un único byte de suma de comprobación CRC (bloques de color gris).

Figura 3: Comandos de medición de modo de disparo único SHT3x de Sensirion

Para facilitar la creación de prototipos mediante el diseño de un sensor serie SHT3x, una placa de evaluación de estilo breakout está disponible. Fabricada por Adafruit, la placa permite una rápida y fácil conexión del sensor a una plataforma Arduino o compatible. Una guía detallada para la conexión con SHT3x junto con ejemplos de código Arduino Sketch se pueden encontrar aquí.

Otro ejemplo de un sensor de humedad y temperatura digital es el Bosch MEB280. Este es un LGA totalmente cerrado con un dispositivo empaquetado con tapa metálica que también contiene un sensor de presión barométrica absoluta. Con su perfil de bajo consumo de energía y dimensiones muy compactas, el MEB280 es adecuado para su uso en una amplia gama de aplicaciones portátiles a pila, desde controles de automatización industrial hasta monitores personales de fitness. En la figura 4 se muestra el diagrama de bloques funcionales del MEB280.

Figura 4: Diagrama de bloques funcionales del sensor combinado de humedad, presión y temperatura Bosch MEB280.

Los bloques analógicos y digitales de sensor pueden ser alimentados por una fuente de alimentación de CC en el rango de 1,7 a 3,6 V, y una interfaz digital independiente de alimentación en el rango de 1,2 a 3,6 V, dependiendo de los requisitos de la aplicación. Ambas interfaces SPI y I²C son compatibles y el sensor puede operar en tres diferentes modos de alimentación. El MCU host puede desencadenar mediciones, o el sensor puede proporcionar automáticamente a una velocidad predeterminada. El consumo de energía es tan bajo como 0,1 µA en reposo, 0,2 µA en modo de espera, y hasta un máximo de 714 µA durante la medición de la presión. Los tres modos de funcionamiento del sensor son de reposo, forzado y normal. Durante el modo de inicio predeterminado de reposo, no hay ninguna operación del ADC y todos los registros son accesibles.

Figura 5: Diagrama de transición del modo sensor BME280

El modo forzado se invoca a través de una solicitud SPI o I²C del microcontrolador host y resulta en una medición realizada. Los resultados se almacenan y el sensor vuelve a reposo. En el modo normal, se realiza un ciclo continuo de las mediciones, los resultados se almacenan y el sensor vuelve a reposo.

La hoja de datos sobre MEB280 ofrece una explicación detallada de los modos de funcionamiento, comunicación serial y cómo acceder a los registros del resultado de la medición. Este documento también contiene algunos perfiles de configuración del sensor recomendado para los diferentes casos de uso de aplicaciones, que van desde la vigilancia meteorológica hasta los juegos. Estos proporcionan un equilibrio óptimo de ahorro de energía, tasa de muestreo, filtrado de ruido y velocidad de salida de datos para una variedad de aplicaciones diferentes.

Se recomienda a los ingenieros que deseen realizar el prototipo de un diseño basado en la MEB280 probar la placa de sensor breakout MEB280 de Adafruit, que se muestra en la figura 6.

Figura 6: Placa de sensor breakout combinada MEB280 de Adafruit.

Adafruit ofrece una guía detallada para trabajar con el sensor, que se puede descargar aquí. La guía incluye la interconexión con un Arduino UNO o una computadora de placa única compatible además de ofrecer enlaces a un biblioteca Arduino MEB280 disponible desde el repositorio GitHub de Adafruit. La figura 7 muestra un fragmento de código del boceto de prueba MEB280 proporcionado con la biblioteca. Esto pone de relieve la importancia de la asignación de conexiones de pines SPI a la Arduino en la parte superior de la imagen, y cuán fácil es utilizar la biblioteca permitiendo la lectura de valores en la parte inferior de la imagen.

Figura 7: Fragmento de código de boceto de prueba MEB280 de Adafruit

Los sensores de presión diferencial son otro tipo comúnmente encontrado en muchas aplicaciones industriales tales como calderas de gas, celdas de combustible y sistemas HVAC. Un ejemplo es la familia Sensirion sdp8xx, diseñada para medir la presión de aire o de gases no agresivos en aplicaciones de gran volumen. El sensor SDP810 es un sensor de presión diferencial digital que puede medir la presión de un rango de +/- 500 Pa con una precisión de 0,1 Pa. La comunicación con un MCU host es a través de una interfaz I²C. Se muestra un diagrama de bloque funcional y la imagen del sensor en la figura 8.

Figura 8: Diagrama de bloque e imagen de Sensirion SDP810.

Se pueden utilizar los sensores de presión diferencial para medir la velocidad de flujo del gas, tal como se ilustra en la figura 9. En este ejemplo, el flujo de derivación se utiliza para calcular el flujo a través del conducto o tubo principal. La medición puede ser reportada como un volumen de caudal (l/min) o caudal másico (estándar centímetros cúbicos por minuto). Este último caso es típicamente usado en aplicaciones de calefacción, donde el punto de referencia está a una cierta temperatura y presión.

Figura 9: Medición de flujo Sensirion con sensor de presión diferencial

Al igual que el sensor MEB280, el SDP810 puede funcionar en un modo de ejecución activado o continuo. Un protocolo simple se usa para estructurar las secuencias de comandos a través del bus I²C. Una versión del sensor SDP810, el SDP816también está disponible para proporcionar una salida analógica. La salida analógica puede ser configurada para ser una relación lineal con la presión diferencial, o como la raíz cuadrada de la conversión.

Conclusión

Este artículo ha cubierto sólo una pequeña selección de módulos de sensor diseñados para una amplia variedad de aplicaciones industriales. En lugar de hacer frente a los desafíos que plantea un enfoque discreto, en el diseño de un módulo de sensor digital puede ahorrar al equipo de desarrollo una cantidad considerable de tiempo y esfuerzo.