Aquisição de dados:uma cartilha para gerentes de produto IoT

Um dos principais atributos da Internet das Coisas é sua capacidade de medir sinais físicos para entender melhor o mundo ao nosso redor. É um tópico muito importante e sobre o qual os Gerentes de Produto devem ter um bom domínio. Neste artigo, apresento uma introdução ao mundo da aquisição de dados e os principais parâmetros que os PMs precisam saber.



O processo de aquisição de sinais do mundo real, ou aquisição de dados, é um mistério para a maioria dos PMs, especialmente se você não foi exposto ao hardware. Porém, quanto mais você sabe sobre como funciona um produto IoT de ponta a ponta, mais conversas informadas você poderá ter com sua equipe de engenharia.

Lembre-se de que o objetivo não é se tornar um especialista em tecnologia ou ditar a tecnologia que sua equipe de engenharia deve usar para construir o produto. O objetivo é entender o contexto da tecnologia para que você possa participar das conversas de engenharia e adicionar a perspectiva do negócio e do usuário.

Em um post anterior, escrevi sobre os 4 principais componentes de hardware incluídos em cada dispositivo IoT. Nesta postagem, estou me aprofundando em um desses componentes:o Módulo de Aquisição de Dados.



A função do Data Acquisition Module é adquirir sinais físicos do mundo real e convertê-los em informações digitais que podem ser manipuladas por um computador.

Existem dois tipos principais de sinais do mundo real:sinais discretos e sinais analógicos. Para começar, neste post vou me concentrar apenas em sinais analógicos.

O que é um sinal analógico?

Um sinal analógico é definido como um sinal contínuo que varia sua amplitude ou frequência ao longo do tempo. Essas variações ocorrem em resposta a uma mudança nos fenômenos físicos que estão medindo. Por exemplo, a imagem abaixo mostra a variação da temperatura ao longo do tempo.



Agora que você está familiarizado com os sinais analógicos, vamos falar sobre o hardware e o processo necessário para adquirir ou "digitalizar" esses sinais.

O aspecto de engenharia da aquisição de dados pode ficar muito complicado. De uma perspectiva de PM, vou me concentrar nestes componentes do processo de aquisição de dados:

1. Que sinal do mundo real você deseja medir?
2. Compreendendo os sensores
3. Condicionamento de sinal
4. Trabalho de conversão analógico para digital
5. Interpretação de dados

1. Qual sinal do mundo real você deseja medir?

Antes de começar a planejar seu roteiro de hardware, você precisa entender que tipo de sinais físicos deseja medir. Exemplos de sinais físicos incluem:

• Temperatura
• Som
• Umidade
• Vibração
• Leve
• Pressão
• Etc

Observe que não estou indo direto para a seleção de um sensor. Os sensores são um componente de tecnologia que fornece um meio para um fim. Primeiro, é importante entender que tipo de sinal você precisa medir e ter uma boa noção de como você planeja usar essas informações.

Depois de determinar o tipo de sinal necessário, você precisará pesquisar alguns parâmetros adicionais antes de trabalhar com sua equipe para selecionar os sensores certos. Aqui estão algumas perguntas-chave que você precisa responder:

Qual é o tipo exato de sinal que você medirá?

Não é suficiente dizer que você deseja medir "gás". Qual tipo de gás? Oxigênio? CO2? Que informações sobre o gás você deseja medir? Fluxo? Temperatura? Partículas por polegada quadrada? Seja específico para que sua equipe de engenharia possa escolher o melhor sensor para o trabalho.

Quão rápido o sinal muda?

Digamos que você precise medir a temperatura. Dependendo da sua aplicação, o mesmo fenômeno físico (neste caso a temperatura) pode mudar muito lentamente (ou seja, a temperatura ambiente em uma sala), ou pode mudar muito rápido (ou seja, a temperatura dentro de um motor).

Entender a rapidez com que seu sinal muda (taxa de mudança) ajudará sua equipe a selecionar sensores e conversores que podem acompanhar o sinal que você deseja medir.

Qual é o alcance do sinal que você precisa medir?

Por exemplo, se você estiver medindo a temperatura ambiente, ter sensores com uma faixa de 0-40 graus Celsius deve ser suficiente. Por outro lado, se você estiver medindo a temperatura dentro de um forno, talvez precise de sensores com uma faixa de milhares de graus Celsius. Mais uma vez, quanto mais específico você puder ser, mais capacitará sua equipe de engenharia para tomar as decisões certas.

2. Compreendendo os sensores

Existem centenas de sensores por aí, o que lhe dá grande flexibilidade para escolher o sensor certo para os sinais do mundo real que você deseja medir. Mas como funcionam os sensores?

Todos os sensores analógicos produzem um sinal elétrico (tensão ou corrente) que representa as variações do sinal do mundo real que você deseja medir. Como o sinal do mundo real varia ao longo do tempo, o sensor produzirá um sinal elétrico que representa com precisão essas variações.

3. O que é condicionamento de sinal?

Cada tipo de sensor produz um nível diferente de saída de tensão ou corrente. E, muitas vezes, a saída do sensor não é compatível com a faixa de entrada exigida pelo conversor analógico-digital (ADC). Ou talvez o hardware do seu dispositivo esteja instalado em um local com muito ruído eletromagnético e você precise de uma maneira de limpar esse sinal antes de passá-lo para o ADC.

O condicionamento de sinal se refere ao processo de manipulação da saída de seu sensor para que possa ser consumida por seu ADC. As formas mais comuns de condicionamento de sinal são:

• compensação DC
• Amplificação
• Atenuação
• Filtragem

Muitos fornecedores têm produtos de condicionamento de sinal que você pode adicionar ao hardware do dispositivo para garantir que o sinal proveniente dos sensores esteja pronto para processamento. Esses produtos variam de chips individuais a módulos completos de hardware para aplicações especializadas. Trabalhe com sua equipe de engenharia para determinar a melhor abordagem para sua aplicação.

4. Conversão analógico para digital (ADC)

O hardware do seu dispositivo precisa digitalizar o sinal proveniente de seus sensores antes que os dados possam ser usados ​​por um computador. Esse processo é chamado de conversão analógico-digital.



A conversão analógico para digital é um tópico muito aprofundado, portanto, neste post, irei me concentrar apenas nos parâmetros mais importantes que os gerentes de produto precisam saber.

Um conversor analógico-digital (ADC) é uma peça de hardware (geralmente um chip) que digitaliza um sinal ao coletar constantemente amostras individuais desse sinal.

Os principais parâmetros a serem considerados em um conversor analógico-digital são a taxa de amostragem e a resolução.

Taxa de amostragem

A taxa de amostragem refere-se à frequência com que o ADC coleta amostras do sinal analógico. Para reproduzir com precisão o conteúdo da frequência de um sinal analógico, o ADC precisa amostrar pelo menos duas vezes mais rápido que a frequência mais alta do sinal. Isso é baseado na frequência de Nyquist.

Se você quiser reproduzir não apenas o conteúdo da frequência, mas também a forma e a amplitude do sinal no domínio do tempo, então o ADC precisa amostrar a uma taxa muito mais alta. A regra geral da engenharia é amostrar 10x a frequência desse sinal original. Isso significa que se o seu sinal tiver uma frequência de 100 Hz (100 ciclos por segundo), o conversor precisará fazer a amostragem a 1.000 Hz.

As imagens abaixo mostram o resultado da amostragem lenta vs. rápida de um sinal analógico.

Resolução

Resolução refere-se a quão granular você deseja que sua precisão seja. A resolução é especificada pelo número de bits que o ADC usa para representar cada amostra. Portanto, por exemplo, você pode ter um ADC de 2 bits, 4 bits, 8 bits, 24 bits, etc. Um ADC de 2 bits pode registrar 4 valores (2 ^ 2 =4). Um ADC de 4 bits pode medir 16 valores (2 ^ 4 =16) e assim por diante. Quanto mais bits por amostra, melhor será a resolução da sua medição.

Vejamos um exemplo. Digamos que você tenha um termopar (sensor de temperatura) que pode medir mudanças de temperatura entre 0 e 96 graus Celsius. Se você usar um ADC de 4 bits, terá 16 valores possíveis (2 ^ 4 =16) para representar a faixa completa do sensor. Uma saída ADC de 0 corresponde a 0 graus e uma saída ADC de 15 corresponde a 96 graus.

Se você dividir o intervalo de medição pelo número de valores ADC, você obtém o tamanho mínimo do passo que pode medir. Neste caso, o tamanho do passo é 6 (96/16 =6). O que isso significa é que a menor variação de temperatura que você pode registrar com este ADC é de 6 graus.

Agora pense no mesmo exemplo usando um ADC de 8 bits. Se dividirmos a faixa completa do sensor (96 graus C) pela resolução ADC de 256 (2 ^ 8 =256), o resultado é 0,375 (96/256 =0,375), o que significa que com um ADC de 8 bits, você ' d ser capaz de distinguir mudanças de temperatura tão pequenas quanto 0,375 de grau!

Uma lição importante da perspectiva de PM é que a combinação de taxa de amostragem e resolução determina a quantidade de dados que seu dispositivo produz. Por exemplo, se você tem um ADC de 24 bits e está amostrando a 200 kHz (sim, 200.000 amostras por segundo), então você estará produzindo 600 kB de dados por segundo apenas neste sensor. Esses são os dados que você precisa processar no limite, talvez transmitir para a nuvem, armazenar, fazer backup, etc.

Agora que você sabe fazer esses cálculos, pode estimar quantos dados brutos seu produto produzirá por dia / mês / ano. Esteja ciente de que as máquinas podem produzir uma tonelada de dados quase instantaneamente. Esteja atento a esses cálculos para entender como eles impactam outras áreas da IoT Technology Stack e outras áreas de decisão, como negócios e segurança.

5. Interpretação

Agora que você tem o sinal digitalizado, precisa aplicar algumas transformações para dar sentido aos dados. Lembre-se de que a saída de um sensor é apenas um número que se correlaciona com as mudanças dos fenômenos físicos que estão medindo.

Voltando ao exemplo da temperatura, um termopar não retorna valores em graus Celsius ou Fahrenheit. Ele apenas retorna um número que você precisa converter em uma unidade que faça sentido para uso humano. Este processo é chamado de interpretação.

Lembre-se de que cada sensor é diferente. O fabricante do sensor fornecerá a você uma fórmula para converter o valor bruto em uma unidade utilizável.

Durante o processo de interpretação, também é comum anexar metadados à medição do sensor. Alguns metadados podem incluir:

• Timestamp (adicionado a cada amostra de ADC para criar uma série temporal)
• ID do sensor
• ID de localização
• ID do dispositivo
• Etc

Conclusão

A aquisição de dados é um componente chave de cada produto IoT. É uma disciplina profunda e complexa, e você não precisa ser um especialista. Seu objetivo como PM é entender como a tecnologia funciona e como as peças se encaixam para que você possa ter conversas produtivas com a engenharia.

Seu foco não deve estar no processo de aquisição de dados em si, mas nos elementos de sua estratégia de dados, incluindo a quantidade de dados que você produzirá, o quanto você transferirá e, mais importante, como fornecerá valor ao seu cliente com isso dados.