Un universo de sensores en una plataforma inalámbrica todo en uno

Fabricación inteligente, logística inteligente o agricultura inteligente: las redes distribuidas de sensores trabajan duro para nosotros todos los días. En el pasado, cada aplicación necesitaba una solución personalizada para ejecutar los sensores y procesar los datos. Los investigadores de Fraunhofer IZM ahora han desarrollado una plataforma que se puede mezclar y combinar fácilmente para cada propósito, ahorrando mucho esfuerzo y recursos en el camino.

Los sensores inalámbricos están presentes en casi todos los dispositivos electrónicos. Están a nuestro alrededor: desde estaciones meteorológicas hasta monitoreo del clima interior, los sistemas de sensores están diseñados para rastrear varios parámetros. Pero, ¿qué pasaría si una sola plataforma pudiera hacer todos sus trabajos y monitorear la temperatura, la presión, la humedad, la distancia, la luz y prácticamente cualquier otra cosa?

Esta solución todo en uno significaría que no es necesario volver a inventar la rueda para cada aplicación, ya que existe una solución universal y rentable para muchos de los casos de uso mencionados anteriormente.

Han sido cinco años de trabajo en esta ambiciosa misión para los investigadores del Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM: el resultado de sus esfuerzos es un ecosistema integral de hardware y software para una plataforma de sensor-actuador que facilita el monitoreo de condición en uso industrial. y más rápido que nunca.

¿El secreto detrás del éxito del grupo Sensor Nodes & Embedded Microsystems en Fraunhofer IZM? Muchos proyectos y desarrollos separados producidos, por ejemplo, en el Centro de Berlín para la Transformación Digital en cooperación con otros Institutos Fraunhofer, agregaron nuevos conocimientos y capacidades y poco a poco hicieron de la plataforma lo que es hoy. Es hora de echar un vistazo a la evolución de la plataforma de sensores inalámbricos actual.

En la primera fase del trabajo, en 2017 y 2018, los investigadores se centraron en desarrollar una plataforma de hardware modular que pudiera cubrir la mayoría de los casos de uso identificados. En Hannover Messe, estas capacidades se exhibieron por primera vez en vivo, con el sistema instalado en un robot industrial para rastrear la temperatura y la aceleración en operaciones activas como parte del monitoreo inalámbrico de condiciones.

Samer Al-Magazachi, asistente de investigación en la Universidad Técnica de Berlín y socio de cooperación de Fraunhofer IZM, sigue investigando en este campo de aplicación después de investigar originalmente en su tesis de maestría cómo se podrían agregar capacidades de seguimiento de ubicación a la plataforma mediante el uso de Bluetooth Low Energy. Esto condujo a la segunda encarnación de la plataforma.

Se integró una batería recargable por USB para alimentar la plataforma para un uso verdaderamente inalámbrico. Se agregaron sensores adicionales para medir, por ejemplo, la intensidad de la luz o la presión del aire, y se incluyó un reloj en tiempo real para una captura de datos aún más precisa.

El equipo de Fraunhofer IZM investigó oportunidades para combinar los datos del detector de movimiento con los datos del sensor de estrés y del radar. En Productronica 2019, pudieron demostrar el sistema en un túnel de viento para mostrar cómo podía detectar e informar deformaciones en una máquina o una barra de acero.

Son datos como estos los que ayudarán a los operadores a perfeccionar la sincronización de los procedimientos de mantenimiento de sus máquinas o a intervenir a tiempo y reemplazar las piezas afectadas antes de que máquinas o líneas de producción completas deban desconectarse. Junto con el nuevo sistema de batería y la conectividad USB, se agregó la tecnología de radio LoRa, inicialmente en el contexto de una tesis.

LoRa es un estándar particularmente eficiente desde el punto de vista energético que puede transmitir conjuntos de datos más pequeños, como los datos del sensor, a grandes distancias. Se desarrolló una aplicación de escritorio para Windows, macOS y Linux para capturar, visualizar y almacenar los datos en una GUI fácil de usar que facilita el control y la recuperación de datos del sistema.

En su encarnación más reciente, llamada Swarmy, el demostrador ha evolucionado de un diseño de prueba de concepto a una plataforma de sensor-actuador completa que puede controlar motores en un sistema móvil. Las baterías de la plataforma ahora funcionan con el estándar Qi para la carga por inducción inalámbrica, y varios sensores adicionales han encontrado un lugar en la plataforma, incluido un rastreador de tiempo de vuelo, un sensor de intensidad de luz, un sensor de gas para medir la calidad del aire, un sensor de ruido -micrófono de medición, y un sensor de presión.

Con su diseño modular y elección de interfaces, se pueden agregar incluso más sensores externos, como sensores químicos para analizar líquidos. Esto hace que Swarmy sea un gran complemento para otros sistemas establecidos. Para una mayor facilidad de uso, la aplicación de escritorio se ha portado a teléfonos o tabletas con Android, que pueden conectarse al sistema mediante Bluetooth.

La aplicación Swarmy brinda a los usuarios una interfaz simple para recopilar los datos almacenados en el propio dispositivo o en la nube, por ejemplo, para su posterior análisis por parte de la IA o para su uso inmediato en otras aplicaciones. El proceso no podría ser más simple: inicie la aplicación, seleccione un sensor y comience a medir. Se incluyó una interfaz de software para pruebas para permitir pruebas automáticas de la plataforma cuando se configura un sistema Swarmy y se conecta a una PC para verificar que sea compatible con el hardware de destino.

La plataforma sensor-actuador permite una multitud de usos y es un buen candidato para sistemas distribuidos en muchos escenarios. Nuestra lista incluye solo algunos usos seleccionados de las muchas aplicaciones posibles.

Los investigadores de Fraunhofer IZM han superado durante mucho tiempo sus ambiciosos objetivos de 2017, pero esta es una pequeña razón para que detengan su trabajo. Sus planes para la fase de financiación actual es hacer que la plataforma sea aún más inteligente mediante la integración de capacidades de robótica enjambre, una perspectiva que es el tema de la investigación doctoral de Samer Al-Magazachi. El concepto de sistema propuesto haría que los sistemas de sensores conectados fueran aún más robustos y fiables, pero también más versátiles y flexibles para diferentes casos de uso. Sería más fácil escalar hacia arriba o hacia abajo y prometer una mayor seguridad, ya que elimina el objetivo fácil de un sistema central único.

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