El Internet de las Cosas (IoT) aporta el valor de la tecnología de la información al mundo físico. Combinando sensores y actuadores con redes informáticas, podemos detectar lo que ocurre en el mundo físico, poner estas lecturas a disposición de algoritmos de software, calcular resultados basados en las lecturas y, por último, dirigir a los actuadores para que utilicen estos cálculos para modificar el mundo físico. Por lo general, estas redes son de bucle cerrado, lo que significa que el parámetro físico que controla un actuador es inmediatamente leído de nuevo en el sistema por un sensor, cerrando un bucle continuo en tiempo real y permitiendo una estrecha supervisión y control de los procesos físicos.
Sensores y actuadores IoT
El IoT añade actuadores a las redes informáticas y el control del mundo físico que proporcionan añade capas de complicación a las aplicaciones IoT. En el pasado, los problemas del sistema, como errores de software, fallos de seguridad informática o fallos de componentes, podían causar una gran preocupación a los responsables informáticos, porque sus datos podían corromperse, perderse o ser robados. Cuando se añaden actuadores a la red -especialmente si éstos controlan sistemas potentes o peligrosos como locomotoras, reactores, subestaciones, vehículos o dispositivos médicos-, si los sistemas son pirateados o sufren fallos, pueden producirse graves daños materiales, lesiones personales o incluso la muerte. Por tanto, debemos tener especial cuidado con los dispositivos conectados (las cosas IoT), como la integridad y la seguridad del sistema, si se incluyen actuadores.
La mayoría de los sensores y actuadores incluyen tipos de transductores. Los transductores son dispositivos que convierten una forma de energía en otra. Por ejemplo, los frenos de tu coche convierten la energía mecánica en energía térmica. En los sistemas IoT, casi todos los sensores utilizan algunos parámetros físicos y los transforman en señales eléctricas. Del mismo modo, casi todos los actuadores de los sistemas IoT captan señales eléctricas y las convierten en algún tipo de salida física. Los parámetros físicos utilizados en los sistemas IoT recorren todo el libro de la física. Pueden ser eléctricos (tensión, corriente, potencia, resistencia, capacidad, inductancia, frecuencia, fase, etc.), mecánicos (posición, velocidad, aceleración, peso, dirección de la brújula, gravedad, fuerza, tensión, presión, flujo, par, campo magnético, etc.), acústicos (sonido, vibración, movimiento sísmico, etc.), de imagen (intensidad de la luz, etc.).), de imagen (intensidad de la luz, cámaras, monitores, infrarrojos (IR), detección y alcance de la luz (LiDAR, etc.), químicos (concentraciones de potencial de hidrógeno (pH ), composición, pureza, etc.), médicos (frecuencia cardiaca, respiración, presión sanguínea, temperatura, electroencefalograma (EEG), etc.) y muchos más. Hay literalmente miles de tipos de sensores para todos estos parámetros físicos y para la mayoría de los parámetros que se pueden detectar, y existe un actuador analógico para modificar ese parámetro en el mundo físico.
Los sensores suelen incluir un elemento sensor bruto o transductor y una cadena de procesamiento de señales para poner las lecturas brutas a disposición de los ordenadores conectados en red. A menudo, el elemento sensor en bruto -algo como un termistor, un acelerómetro, un micrófono o un sensor de luz- produce una señal analógica modesta/simple. Esta señal debe pasar por una cadena de procesamiento de señales que amplifica, filtra y convierte la señal bruta en un formato que nuestros ordenadores de control y su software puedan introducir. Esto suele implicar una conversión analógica a digital y algún tipo de interfaz informática, como I²C o USB. Los sensores sofisticados utilizan técnicas de procesamiento digital de señales para filtrar, acondicionar, promediar y formatear las lecturas del sensor en el dominio digital.
Los actuadores tienen funciones inversas. La salida digital de los ordenadores de control y su software se envía a través de una interfaz a controladores que recogen las señales y las convierten en las entradas que requiera el transductor del actuador. Suelen consistir en un convertidor digital-analógico, un filtro de salida y algún tipo de amplificador. Cada vez se emplean más técnicas digitales, como procesadores de señales digitales (DSP) y amplificadores de clase D, en los actuadores para hacerlos más precisos, sensibles y eficientes energéticamente.
Ejemplo de uso de actuadores y sensores para funciones IoT sencillas, como preparar una taza de té
A menudo, el número y la diversidad de sensores y actuadores en las redes es inesperadamente alto. Párate un momento a pensar en tu smartphone y en todos los tipos de sensores y actuadores que incluye. Para ilustrar mejor este punto, consideremos un sistema robotizado para preparar tazas de té. En Star Trek la Nueva Generación, el capitán Pickard se acercaba a su replicador de comida y decía «Té, Earl Grey, caliente» y en unos segundos se lo servían. Aunque los transductores necesarios para materializar una sabrosa bebida en segundos a partir de pura energía no existan, al menos todavía, consideremos un sistema práctico que pueda realizar una función similar y examinemos todos los sensores y actuadores que podría contener una versión totalmente posible:
El primer paso de este proceso es aceptar la petición del usuario. La solicitud puede realizarse a través de un teclado (sensores de botón simples), un teclado capacitivo (sensores de capacitancia), un micrófono (sensores de sonido) o una cámara de búsqueda de gestos (sensores de imagen). Las solicitudes también pueden llegar a través de una red informática mediante tipos de conexión que pueden incluir fibra (sensores ópticos), inalámbrica (sensores de radiofrecuencia) o por cable (sensores eléctricos). Un procesador local acepta esta entrada y coordina los sensores y actuadores de la máquina como un sistema de control en tiempo real. Si se trata de una máquina expendedora, otros sensores y actuadores aceptan la moneda o las tarjetas de crédito y comprueban que sean auténticas (Figura 1).
Figura 1: Imagen de una máquina de bebidas (Fuente: Mouser)
Los sensores controlan continuamente la temperatura y la presión del agua de infusión en el depósito. Un calentador de resistencia sirve como actuador que controla la temperatura del agua. Si hay un depósito de agua fría para bebidas infusionadas frías, tiene sus propios sensores de temperatura y presión, y quizás un módulo Peltier como actuador para proporcionar refrigeración termoeléctrica. Hay bucles de retroalimentación desde los sensores, el procesador de control y los actuadores para garantizar que el agua está a la temperatura deseada para una fermentación óptima.
A continuación, tenemos que seleccionar una bolsita de té. Nuestra máquina puede tener un almacén de bolsitas de té de distintos tipos que representan las variedades que puede fabricar. Los sensores confirman la presencia de las bolsitas, quizá óptica o mecánicamente. Los actuadores robóticos utilizan motores para colocar el cargador en la posición correcta y bajar la bolsa de té seleccionada a la estación de infusión. Otro actuador robótico puede mover la taza hasta la estación de infusión y los sensores confirman que está colocada correctamente.
Ahora los actuadores de las válvulas se abren para dejar entrar el agua en la estación de fermentación. Los sensores ultrasónicos de nivel miden la cantidad de taza y cortan las válvulas en el momento adecuado. Los sensores térmicos controlan la temperatura del té mientras se prepara. Los motores que bajan la bolsa de té pueden sumergirla suavemente hacia arriba y hacia abajo para facilitar la dispensación. Un sensor óptico puede medir el color del té para retirar la bolsita cuando se alcanza la intensidad deseada. Un actuador, como un solenoide, puede liberar la bolsa de té usada en el contenedor de residuos.
Otros actuadores pueden añadir los condimentos seleccionados, por ejemplo, un dispensador controlado por motor para medir el azúcar o la nata, o una válvula para añadir miel. Los sensores ópticos, de peso o ultrasónicos de las cajas de condimentos comprueban que el suministro sea adecuado y que los dispensadores midan correctamente. Una cucharilla robotizada -que requiere varios actuadores motorizados para colocarla, moverla y limpiarla- da un último batido y los actuadores abren la puerta de suministro y presentan la taza al usuario.
Así que utilizar técnicas de IoT para automatizar algo tan sencillo como preparar una taza de té podría requerir varias docenas de sensores y actuadores, sus circuitos de interfaz, un procesador bastante sofisticado y mucho software. No sé si merece la pena fabricar una máquina así hoy, pero a medida que sigan aumentando las capacidades de los sensores y actuadores y bajando sus costes, es probable que empiecen a aparecer sistemas de este tipo.
Puntos clave:
- Los sensores y actuadores son los elementos que definen las redes del Internet de las Cosas.
- Se necesitan muchos componentes electrónicos para amplificar, acondicionar e interconectar las señales de los transductores brutos con los procesadores de control.
- Se necesita un número sorprendentemente grande de diferentes tipos de sensores y actuadores para realizar funciones sencillas de IoT, incluso para preparar una taza de té.
Artículo escrito originalmente por Charles Byers para Mouser Electronics: Accede al texto original en el enlace. Traducido por Equipe Embarcados.
