Los sensores inteligentes ahorran espacio y energía.

Los consumidores se adaptan rápidamente a las funciones más avanzadas de los teléfonos inteligentes y tabletas de la actualidad. La vida moderna es cada vez más dependiente de la detección instantánea del contexto y la ubicación, y a su vez los usuarios están imponiendo cada vez más exigencias a los dispositivos inteligentes utilizados en diversos campos, tales como los procesos industriales y el cuidado de la salud. Un diseño Inteligente de hardware y software es esencial para garantizar la velocidad y la precisión requeridas, además de cumplir con estrictas restricciones en el tamaño del sistema y el consumo de energía. 

Conectar sensores

Las funciones sofisticadas, tales como la capacidad de seguir el movimiento y de conocer la ubicación son la clave de las nuevas funciones y aplicaciones en equipos de consumo, y están ayudando a crear nuevas oportunidades de mercado, como la creciente demanda de productos portátiles. La detección avanzada también aumenta las expectativas puestas en equipamientos de sectores tales como las aplicaciones relacionadas con la automatización industrial, el control médico de pacientes y el Internet de los Objetos (IoT), ya que los usuarios exigen funciones inteligentes y autónomas, sensibles al contexto. 

Los diminutos sensores MEMS, como los acelerómetros, giroscopios y magnetómetros representan la tecnología clave que permite seguir el movimiento y conocer la ubicación en dispositivos portátiles en los puntos de precios al consumo. 

Se responde a las demandas de los usuarios finales de una mayor precisión y un mayor rendimiento mediante la utilización de estos sensores en combinación, ya que cada tipo de sensor está sujeto a limitaciones. Un acelerómetro, por ejemplo, puede proporcionar orientación básica y detección de la inclinación, y puede hacer el seguimiento de paso y giro si el dispositivo no está en movimiento Con la adición de un giroscopio, movimientos más complejos como paso y giro mientras el dispositivo está en movimiento o en rotación de alta velocidad, pueden ser medidos con exactitud. Por otro lado, se puede utilizar un magnetómetro para corregir errores de rotación del acelerómetro mediante el control de movimiento relativo al norte magnético, pero tiene un ancho de banda limitado y es vulnerable a las interferencias electromagnéticas externas. 

La fusión de sensores combina las salidas de varios sensores en un complejo sistema de seguimiento o rápidos movimientos con precisión, para fines tales como controles gestuales o captura de movimiento corporal para juegos o para fines de investigación. Dependiendo de la aplicación, la fusión de sensores puede ser realizada de mejor manera en el procesador principal, o un sensor hub externo, o en el propio sensor. Factores tales como el consumo de energía, las limitaciones en el tamaño, la duración de la batería y los recursos de procesamiento son las influencias más importantes en el momento de la decisión. 

El microcontrolador como un sensor hub

Los algoritmos de fusión de sensores se pueden ejecutar en un microcontrolador que actúa como un sensor hub.  Atmel ha trabajado con socios en el campo de sensores como Kionix y MEMSIC para desarrollar soluciones de fusión de sensores para sus microcontroladores como el microcontrolador ARM® Cortex® -M0+ SAM D20, o el SAM G53 con el núcleo ARM Cortex-M4. Esto simplifica la integración de sensores como el KXCJ9 de Kionix o los acelerómetros MEMS MEMS62320 de Memsic. Estos microcontroladores admiten el Sistema de Eventos de Atmel y la función de SleepWalking, que permiten ahorro de energía cuando actúa como un sensor hub. La función de SleepWalking permite detener todas las funciones y relojes, mientras que los periféricos mantienen la capacidad de activar partes del sistema de manera asincrónica. El Sistema de Eventos permite que los periféricos puedan responder a eventos como la recepción de una señal del sensor sin intervención del procesador, que ayuda a hacer el mejor uso del modo de reposo del microcontrolador. 

Reducir el consumo 

Abordar el consumo de energía es cada vez más importante para los ingenieros al momento de desarrollar sistemas de detección de movimiento. Las omnipresentes aplicaciones actuales basadas en el movimiento, sobre todo en dispositivos portátiles, tales como relojes o gafas inteligentes, requieren funciones de detección permanente, a pesar de las demandas adicionales que esto puede tener en la batería. Los últimos avances en sistemas operativos móviles proporcionan un ejemplo. Google ha modificado considerablemente las funciones de manejo de sensores en la versión 4.4 de Android para permitir un mayor uso de ubicación en tiempo real y de percepción del contexto sin imponer excesiva demanda sobre la batería. Las funciones de podómetro como la detección y conteo de pasos se deben ejecutar en segundo plano, y las APIs han sido revisadas para mejorar la gestión de sensores y evitar falsas activaciones del procesador principal de la aplicación. 

La versión 4.4 de Android muestra cómo la responsabilidad de manejar los sensores puede ser transferida al sensor hub, o incluso el propio sensor. Los cálculos de fusión de sensores en las salidas de acelerómetro y giroscopio deben suceder entre interrupciones mientras que el procesador principal de la aplicación se encuentra en modo desactivado. Además, el modo de procesamiento por lotes permite que el sensor hub pueda almacenar los resultados de fusión y enviar los mismos sólo cuando el procesador de aplicaciones ha sido activado por un importante evento de sensor. 

STMicroelectronics ha llevado este concepto de procesamiento por lotes un paso adelante con su microcontrolador STM32F411 , que se basa en el núcleo ARM Cortex-M0. El microcontrolador implementa su propio modo de adquisición de lote (BAM), lo que permite ahorrar energía cuando se utiliza como un sensor hub al almacenar datos de los sensores directamente en el SRAM integrado en el chip mientras su propio núcleo de CPU está desactivado. El núcleo se activa brevemente para procesar los datos almacenados antes de regresar al modo de ahorro de energía. Otras funciones de ahorro de energía, tales como el modo de DETENCIÓN Flash, de ejecución de espera cero e incremento de voltaje hacen que este dispositivo sea atractivo para uso en aplicaciones como controles industriales, monitores médicos, automatización de edificios y tecnología portátil, además de teléfonos inteligentes y tabletas. 

Ahorrar espacio de placa

Los módulos de sensor tales como los módulos de 6 ejes FXOS8700CQR1 de Freescale, combinan un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes para proporcionar una cómoda solución de ahorro de espacio que integra las funciones de dos sensores de movimiento. El FXOS8700CQR1 cuenta con procesamiento integrado de señales digitales que admite funciones integradas programables de eventos tales como detección de caída, detección de pulso y golpe, detección de la orientación y detección magnética para ayudar en aplicaciones tales como la navegación interior, el control de interfaz de usuario, el monitoreo de vibración y golpes en equipos industriales. La Figura 1 muestra los principales bloques y funciones de DSP de este dispositivo. Como complemento de cartera de sensores MEMS de Freescale, la Biblioteca de Fusión de Sensores para microcontroladores de Kinetis proporciona funciones avanzadas para orientación de dispositivos informáticos, aceleración lineal e interferencias magnéticas en el microcontrolador conectado al módulo de sensor. 


Figura 1: El DSP integrado en el FXOS8700CQR1 realiza procesamiento básico sobre los datos magnéticos y de sensor del acelerómetro. 

InvenSense ha implementado una unidad de procesador digital de movimiento (DMP) junto con un giroscopio de 3 ejes y un acelerómetro de 3 ejes en su Dispositivo de Detección de Movimiento MPU-6500™, como se muestra en la Figura 2. El DMP es capaz de ejecutar algoritmos de procesamiento de movimiento con baja latencia y ofrece una serie de funciones, incluyendo el reconocimiento de gestos con interrupciones programables, un algoritmo de rotación de pantalla de bajo consumo de energía que puede calcular orientación de la pantalla sin la intervención del procesador principal y un podómetro capaz de mantener el conteo de pasos mientras el procesador principal está inactivo. 


Figura 2: El MPU-6500 integra la primera generación de DMP de  InvenSense capaz de descargar  procesamiento de fusión de sensor desde un sensor hub. 

Direcciones a futuro

El DMP integrado en el MPU-6500 de InvenSense anuncia la llegada de una nueva generación de sensores capaces de realizar una más amplia fusión de sensores sin conexión a un sensor hub. Realizar el procesamiento de fusión de sensor en el módulo de sensores puede ayudar a reducir el consumo de energía, reducir los tiempos de reacción y simplificar el diseño de la aplicación. También se pueden ahorrar costos en la lista de materiales y espacio en placa. Tanto InvenSense como ST han anunciado módulos inerciales de 6 ejes que cumplen con los requisitos de Android 4.4 , con procesamiento integrado de movimiento que descarga el procesador de aplicaciones y el sensor hub. 

Conclusión

Con la creciente demanda de funciones contextuales en una amplia gama de aplicaciones y mercados, los métodos para conectar sensores son sometidos a un riguroso escrutinio y están surgiendo nuevas técnicas que ayudan a ahorrar energía y el número de componentes. Los últimos sistemas operativos móviles muestran cómo la detección "siempre activa" se puede conseguir con un mínimo consumo de energía.