Desarrollo de una plataforma de evaluación de sensor remoto simple y fácil de usar

Los avances en la tecnología de los MEMS (sistemas microelectromecánicos) produjeron una gran cantidad de sensores nuevos disponibles para aplicaciones que van desde el control del movimiento a la biometría y todo el rango intermedio. Los proyectos que incorporan sensores primero requieren de una investigación para identificar piezas potenciales. Para la fase de investigación, el Selector de sensores de DigiKey es un recurso excelente para identificar sensores potenciales. Una vez que se identificó un sensor, el siguiente paso típico es la prueba y la evaluación. Seamos realistas, probar un sensor en su banco de trabajo es solo el punto de partida. Se puede verificar la comunicación y la funcionalidad, pero es preferible realizar la prueba en el entorno real del sensor.

Figura 1. Plataforma de evaluación de sensores implementada en DigiKey. (Fuente de la imagen: DigiKey).

El alcance de este proyecto fue desarrollar una plataforma de evaluación flexible que pudiera adaptarse fácilmente a múltiples sensores, enviar de forma inalámbrica datos de prueba al usuario y usar hardware disponible de DigiKey. Se eligió el protocolo Zigbee para la comunicación inalámbrica de datos, ya que permite múltiples radios independientes en la red y la capacidad de malla proporciona un mayor alcance y resistencia de la red. Decidí usar un sensor ambiental exterior para la implementación de un proyecto de prueba de la plataforma de evaluación, ya que nuestra ubicación (noroeste de Minnesota) ofrece una amplia variedad de condiciones climáticas.

Plataforma de evaluación de sensores

El módulo Xbee3 Zigbee de Digi es el controlador inteligente para la plataforma. Las razones para seleccionar el Xbee3 incluyen la capacidad de actuar como un controlador integrado independiente. Incorpora comunicaciones inalámbricas de radio Zigbee y es compatible con FOTA (firmware por aire) para actualizaciones remotas. Para facilitar la configuración, el Xbee3 está conectado a una placa de desarrollo Xbee Grove que saca los conectores de E/S de Xbee3 a conectores Grove para facilitar el acceso.

Figura 2: Plataforma de evaluación de sensores. (Fuente de la imagen: DigiKey).

El hardware de radio Zigbee se montó dentro de un gabinete Bud PN-1323-CMB con clasificación IP65 para que la plataforma se pudiera colocar en un entorno exterior. Los conectores de montaje en panel M8 de TE Connectivity se utilizaron para proporcionar una interfaz externa a un bus I2C y una alimentación de 5 V. Se usó un adaptador de montaje en panel de 336320-12-0250 u.FL a RP-SMA de Amphenol para conectar la antena externa.

Implementación de la plataforma con un sensor ambiental

El sensor ambiental seleccionado para la implementación de prueba fue el MS8607 de TE Connectivity, que mide la presión, la temperatura y la humedad. TE tiene una placa de evaluación Grove MS8607 que facilita la interfaz con la plataforma de evaluación del sensor. Los detalles completos del proyecto, incluido el código fuente de la aplicación, se documentan en la página del proyecto del sensor de PTH (presión, temperatura y humedad) para exterior MS8607 de Xbee3 Zigbee ubicado en el sitio eeWiki de DigiKey. La Figura 3 muestra las conexiones eléctricas y la interfaz del diagrama de cableado entre el sensor y la plataforma de radio Zigbee.

Figura 3: Proyecto del sensor de PHT para exterior de Xbee3 Zigbee: diagrama de conexiones eléctricas y cableado. (dibujado mediante DigiKey Scheme-it®)

La BOM (lista de materiales) completa y los detalles del proyecto se encuentran en el siguiente proyecto DigiKey Scheme-it®.

En este proyecto de prueba, la plataforma del sensor se implementó en el techo del edificio de la sede de DigiKey. La Figura 4 muestra los datos de presión, temperatura y humedad recopilados por el sensor de PTH en febrero de 2020.

Figura 4: Datos de la presión, la temperatura y la humedad. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Beneficios del mundo real de FOTA

Después de instalar la plataforma del sensor en el techo del edificio de nuestra sede, observé que los datos de temperatura del MS8607 no se correlacionaban con un sensor de otro fabricante que funciona en el mismo entorno. Cuando se probó previamente en mi escritorio a temperatura ambiente, ambos sensores tenían lecturas similares, pero cuando se instalaron en el exterior, hubo una diferencia significativa a temperatura fría. Después de revisar la hoja de datos, observé que no había implementado la fórmula secundaria de corrección de baja temperatura en el código de la aplicación MicroPython. Como los módulos Zigbee Xbee3 de Digi admiten el firmware y el sistema de archivos de la aplicación FOTA, pude corregir y actualizar el código de mi aplicación de forma remota desde la comodidad de mi escritorio. No tuve que atravesar la nieve para recuperar la plataforma del sensor y traerla de vuelta al interior para reprogramarla. FOTA permite a un usuario actualizar de forma remota tanto el firmware de radio como la aplicación Micropython desde otro nodo Zigbee en la misma red. Se puede encontrar información sobre la implementación de FOTA de Xbee3 y un ejemplo de trabajo en la actualización de FOTA de Xbee3 mediante el uso de XCTU.

Conclusión

Los módulos Zigbee inalámbricos Xbee3 de Digi funcionaron bien, como el controlador inteligente para la plataforma de evaluación de sensores. La plataforma es flexible y fácil de modificar para diferentes sensores y actualizar en el campo. Zigbee proporciona una red inalámbrica eficiente para datos de sensores que se puede expandir fácilmente.