La IoT está cambiando la manera en que los sistemas basados ​en sensores se diseñan e implementan

La presión por eliminar los combustibles fósiles puede hacernos pensar que estamos yendo contra la corriente. Motivos económicos, tales como paneles solares, reguladores de carga y baterías a costos inasequibles, han disuadido a muchos a salirse de la red, o al menos, a reducir su huella de carbono tanto como sea posible. Sin embargo, la tecnología pronto podría hacer que la lucha contra la corriente sea menos extenuante. El uso de inversores conectados a la red, por ejemplo, permite que un panel solar devuelva la energía a la red sin la necesidad de baterías, controladores de carga, o un recableado de una instalación. Además, la Internet de las cosas (IoT) ha llegado para permitirle controlar el rendimiento del panel solar desde cualquier parte del mundo.

Este artículo analiza cómo la IoT está cambiando la forma en que los sensores y sistemas que se basan en sensores se diseñan e implementan. La capacidad de utilizar y compartir sensores de bajo costo y distribuidos permite un nivel de control más preciso y puede ser parte de una solución social para una mayor eficiencia energética. Todas las tecnologías y las piezas a las que se hace referencia en el artículo se pueden encontrar en línea en el sitio web de DigiKey.

Conectividad de la nube

Durante varias décadas, los productores y distribuidores de energía han tenido sistemas cerrados de estado y control. A través de enlaces inalámbricos especiales, las líneas telefónicas o el cableado entre instalaciones, centros neurálgicos, así como también la conmutación remota o las estaciones de detección, eran sistemas o redes cerradas. Desde un punto de vista positivo, cualquier manipulación y piratería se tenía que hacer a nivel local tocando o interrumpiendo enlaces de cableado de alta resistencia o enlaces de comunicación.

Sin embargo, la IoT y la conectividad de la nube están cambiando todo esto y con bastante rapidez. El petróleo, las refinerías de gas natural y líquido, las instalaciones de almacenamiento, los sistemas de transferencia, y las estaciones de conmutación (así como sus funciones de vigilancia y control de seguridad) están siendo impulsadas a completar la conectividad a través de un ambiente similar al de la nube. Del mismo modo, los sistemas dentro del hogar basados en la nube pueden ofrecer ventajas como el control remoto. En este caso, mediante el uso de un teléfono inteligente o una tableta, se permite el acceso a los sistemas clave del hogar o a la instalación para leer la información del sensor, ahorrar energía, prepararlos para utilizarse, o apagar los servicios cuando no se necesitan.

El ejemplo más notable es el termostato a control remoto. Un sensor de temperatura sencillo vinculado a un microcontrolador y a una red de comunicación tiene el potencial de reducir la energía que se gasta en calefacción y en aire acondicionado. Estos están entre los sistemas del hogar que más energía consumen.

Mientras que los algoritmos de aprendizaje pueden tratar de anticipar la configuración para crear un funcionamiento más autónomo, el beneficio real aparece cuando se puede controlar la temperatura desde cualquier lugar. Por ejemplo, el comportamiento aprendido puede indicar que en este día de la semana a esta hora, el calor deberá subir de 50 a 70 grados en previsión de la utilización; pero si usted sabe que no va a estar allí, un simple comando de anulación puede mantener la temperatura configurada a 50 grados, lo que ahorra más energía en una noche que todas los focos CCFL en su casa.

Un ejemplo de solución de diseño

Una de las mayores ventajas de la conectividad al estilo IoT es la capacidad de enlazar sensores y sistemas redundantes o distintos para compartir funciones. Por ejemplo, los sistemas de seguridad pueden utilizar sensores infrarrojos piroeléctricos (PIR) y/o detectores de movimiento basados en microondas para disparar una alarma si se detecta movimiento. Normalmente, el sistema de alarma es un bucle cerrado y una isla en sí misma (Figura 1).

Figura 1: Los sistemas independientes proporcionan una funcionalidad limitada y con frecuencia conllevan un costo añadido de dispositivos innecesarios.

Sin embargo, cuando los sensores clave se pueden compartir a través del uso de la conectividad con otros sistemas que pueden tener una función primaria completamente diferente, se da lugar a un mayor nivel de autonomía y ahorro de energía sin sacrificar el rendimiento o la funcionalidad. Dos (o más) sistemas independientes pueden compartir un sensor; esto elimina la redundancia y reduce los costos. A modo de ejemplo, veamos un sistema que permite que un solo sensor comparta funciones con otros sistemas (Figura 2).

Figura 2: La conectividad entre sistemas no relacionados proporciona un nuevo nivel de capacidades que ningún sistema podía lograr antes. Esto puede cambiar el enfoque arquitectónico de los diseños de sensores y control distribuidos de la IoT.

En nuestro ejemplo, el detector de movimiento para una luz de seguridad ya no impulsa ni controla la luz de seguridad. En cambio, un microcontrolador supervisa sus acciones. La activación/desactivación de enlace de los focos ya no es sólo por intervalos. Las luces se controlan por medio de un atenuador basado en un microcontrolador.

Una técnica de programación algorítmica al estilo inteligencia artificial une las funciones de esta solución. Como parte de un mayor nivel de conciencia, la instalación "sabe" ciertas cosas. Sabe si es de día o de noche. Sabe si el ambiente es claro u oscuro. Sabe si la habitación está ocupada o vacía. Otros dos estados son importantes: la casa sabe si está en modo seguro o no (es decir, si la alarma está preparada) y sabe si las personas están despiertas o dormidas.

Un enfoque de resolución de problemas al estilo tabla de valores de verdad puede determinar qué acciones realizar (Figura 3). Esto evita el uso ineficiente de la energía durante el día; pero, también ahorra energía de otras maneras.

Figura 3: Como un problema de diseño lógico, la solución de salidas múltiples a un conjunto de sensores compartido y distribuido puede reducirse a la funcionalidad del tipo tabla de valores de verdad. Un sistema puede saber las horas del día y las horas de la noche como parte de un algoritmo programado, por lo que las afirmaciones basadas en reglas pueden no necesitar información específica sobre el día y la noche para actuar adecuadamente.

El hecho de que una luz de seguridad pueda consumir 150 vatios, no significa que tenga que hacerlo. Al funcionar a una intensidad del 30 por ciento, por ejemplo, la luz puede aún así iluminar un área lo suficientemente bien para la seguridad. Si está en modo seguro, el cambio a una intensidad del 60 por ciento le permite a un posible intruso saber que se lo ha detectado. También puede colocar el sistema de alarma en un nivel más intensificado y tal vez encender un video DVR durante un período de tiempo. El intercambio de datos de los sensores permite un ahorro de energía acumulativo, así como también la capacidad de mejorar el rendimiento de otros sistemas.

Esto es importante cuando se trata de la IoT y la conectividad de la nube. Le permite a un sistema "pensar" en un nivel superior y solo interrumpirlo a usted si hay algo real para abordar. Este enfoque también permite que un residente interactúe con su entorno a un nivel más alto, mientras deja que la tecnología encapsulada reduzca las demandas de energía generales.

Es interesante observar que la expectativa intuitiva puede anularse por la información del sensor. Por ejemplo, solo porque un edificio sabe las horas de salida y puesta del sol como parte de un algoritmo programado de día/noche, no significa que pueda utilizar esos datos para ahorrar energía de manera más eficiente. En cambio, los sensores de luz ambiental como el Avago APDS-9008-020 pueden percibir con más exactitud un umbral de oscuridad para evitar encender las luces hasta que realmente se necesiten. Combinado con preamplificadores PIR como los ROHM BD9251FV-E2 y chips controladores PIR como el ON Semiconductor NCS36000DRG, prácticamente cualquier microcontrolador de radiofrecuencia de bajo costo, como por ejemplo el CC3200R1M1RGCR de TI, puede proporcionar una solución ideal para la próxima generación de sensores de gestión de energía basados en la IoT.

Al igual que las fábricas, las casas y los apartamentos algún día podrán funcionar con incentivos para no superar nunca las cargas de demanda máxima. Esto permite que las empresas que generan y distribuyen la energía tengan una carga más previsible ya que los clientes asumen la responsabilidad del control de carga en tiempo real; cuando las instalaciones industriales, de construcción civil, o incluso las casas utilizan más energía en cualquier punto en el tiempo que en un umbral predeterminado, las tarifas de energía aumentan.

La posibilidad de acceder a información clave, como el consumo actual en tiempo real puede permitir que los controles cambien las cargas y trabajen con otros sistemas para ahorrar energía sin sacrificar los servicios ni el rendimiento. Como este artículo lo ha mostrado, la metodología de diseño, los sensores y la tecnología de las comunicaciones están todos disponibles fácilmente para los ingenieros.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de productos en el sitio web de DigiKey.