Internet de las cosas: formación de estudiantes en sensores
Abstract
Memoria ID-090. Ayudas de la Universidad de Salamanca para la innovación docente, curso 2019-2020.
Full text
1 AyudasaPROYECTOSDEINNOVACIÓNY MEJORADOCENTE 2019‐2020 ProyectodeInnovaciónDocente Internetdelascosas: FormacióndeEstudiantesenSensores Centrodeejecución DepartamentoyÁreadeEjecución FacultaddeCiencias FísicaAplicada/Electrónica Miembrosdelequipo JesúsEnriqueVelázquezPérez(IR) MaríaSusanaPérezSantos AnaMaríaPérezMuñoz InformeFinal Ref.ID2019/090
2 El“internetdelascosas”‐unatraduccióndirectadeltérminoeninglésInternetofThings(IoT) ‐describelareddeobjetosfísicos,tambiénconocidoscomo"cosas",queestánintegrados consensores,softwareyotrastecnologíasconelfindeconectareintercambiardatoscon otrosdispositivosysistemasatravésdeInternet.LacélulabásicadeunelementoIoTdebe tener, al menos, un elemento de tipo sensor, circuitería de control y capacidad de comunicaciónintegradaenelcircuitoosistema.Dehecho,cadavezmáscomúnmente,el elemento IoT permite la intercomunicación mediante una interfazdetiposoftware.El aumentodelmercadoIoThasidoexponencialenlosúltimos10añosdebidoalaconvergencia de múltiples tecnologías: análisis en tiempo real, aprendizaje automático, computación ubicua,sensoresdeproductosbásicosysistemasintegrados.Loscampostradicionalesdelos sistemasintegrados,lasredesdesensoresinalámbricos,lossistemas de control, la automatización(incluidalaautomatizacióndelhogarydelosedificios),etc.contribuyena potenciarelInternetdelascosas.Enprincipio,cualquieractividadhumanaessusceptiblede proporcionaruncampodeaplicaciónIoT:desdemejorasparalaexplotaciónagropecuariaal mercadodeconsumo.Enelmercadodeconsumo,latecnologíaIoTessinónimodeproductos pertenecientes al concepto de "hogar inteligente", lo que incluye dispositivos y electrodomésticos(comoaccesoriosdeiluminaciónytermostatos,sistemasdomésticosde seguridad,…)quepuedensercontroladosatravésdeteléfonosyaltavocesinteligentes. SeproyectaqueeltamañodelmercadoglobaldeIoTalcance1.46billonesdedólaresen2027, conunatasadecrecimientoanualtotalcompuestadel24.9%desdeunvolumendeuncuarto de billón de dólares en 2019 (https://www.fortunebusinessinsights.com/industry‐ reports/internet‐of‐things‐iot‐market‐100307). Desdeunpuntodevistaacadémicoelinterés,másalládelanecesidaddeformaciónde estudiantesenaplicacionesquemuchosdeellosvanaencontrarycontribuiradesarrollaren suincorporaciónalavidaprofesional,delIoTresideenlaposibilidaddeusarlasmencionadas célulasbásicascomounrecursodebajocostoparaelaprendizajedesensoressinnecesidad INTRODUCCIÓNyOBJETIVOS
3 derealizarunainstrumentaciónenlaboratorioocomocomplementoaésta.Esteusoesde graninterésporquepermitecubrirtodoslosnivelesdelencargo docente del área de Electrónicadesdeasignaturade1ºdeGradohastaMástermodulandoelusodeestasnuevas herramientas. El objetivo generaldelpresentePIDfuelaactualización y extensión de prácticasde laboratoriodelasasignaturasrelacionadasenlatablainferiorincorporandoherramientasIoT Losobjetivosconcretosdelproyectofueron: 1. Implementación de circuitos con sensores que puedan ser controlados remotamentemediantesoftware. 2. Generacióndecontenidosyrecursosdocentesqueseutilizaránenlaimplantación enelprimercuatrimestrede2020. 3. Medidadeparámetrosdevariostiposdesensores. 4. Documentaciónynotasdeaplicaciónsobreelmontajedelossensoresyusode susoftwaredecontrolquesepondránenStudiumadisposicióndelosestudiantes. El proyecto ha permitido generar, como se había propuesto en la memoria, recursos y contenidosparasuusoendocencia–especialmentedetipopráctico–deungraninteréspara seraplicadoenladocenciaprácticadelassiguientesasignaturasimpartidasporeláreade Electrónica: ASIGNATURASYTITULACIONESQUESEBENEFICIARÁNDELPROYECTODEINNOVACIÓN InstrumentaciónElectrónica,2ºcurso,GradoenFísica,Fac.Ciencias ElectrónicadeComunicaciones,4ºcurso,GradoenFísica,Fac.Ciencias SistemaElectrónicosDigitales,4ºcurso,GradoenFísica,Fac.Ciencias ElectrónicayElectrotecnia,3ercurso,GradoenIngenieríaQuímica,Fac.CienciasQuímicas FísicadeSensores,MásterenFísicayMatemáticas,Fac.deCiencias Caracterizacióndematerialesydispositivos,MásterenFísicayMatemáticas,Fac.de Ciencias Enalgunadeellas,comoseñalamosmásdelante,losrecursoshansidodirectamenteaplicados enelpresentecursoacadémicoyseimplantarándemaneramoduladayprogresivaenelresto alolargodelospróximoscursos.
4 Ladocenciaensensoresesdetipotransversalyaque,comoseñalamosenlasecciónanterior, lossensoresestánpresentesennumerososcampos.Limitándonosaladocenciaeneláreade Electrónica,sehacenprácticasconsensoresennumerosasasignaturas(másquelasexpuestas enlatabladelasecciónanterior)aunqueladificultadenlainstrumentaciónlimitasuinclusión enprácticasaasignaturasenlasquelosestudiantesposeenunnivelsuficienteparahacerel montajey,aúnenesecaso,laescasadisponibilidaddetiempoenlaboratoriolimitalapráctica almontajeyalgunamedidadecomprobacióndefuncionamientodel sensor. A modo de ejemplo,enlaasignatura“InstrumentaciónElectrónica”desegundocursodelGradoenFísica, conunbajocontenidodeteoría,nosepuedededicarmuchotiempoalestudiodesensores.Se dedicaunapartedelaúltimasesióndelaboratorioenlapartedeelectrónicaanalógicaal montajeymedidaconunsensordetemperatura,aunqueseusaunsensorsimilar en dos prácticas de instrumentación virtual integrado en un cabezal controlado por una DAQ y LabView.Laimpresión delosestudiantesesquelossensoressonunapartadode limitada importanciadadoeltiempoqueselesdedicaencomparaciónconeldedicadoalmontajede amplificadoresofiltrosy,adicionalmente,quelamedidaDCdelossensores–obviamente, simple,rápidaydecarácterpuntual–esdeescasacomplejidadeinterés.Aquellosestudiantes que posteriormente cursan la asignatura de “Física de Sensores” del Máster en Física y Matemáticas(MFyM)percibendemaneramuydiferentelaimportanciadelossensoresysu usoenmedidas. Paradójicamente, el análisis de contexto muestra que existe un creciente número de aplicacionesdesarrolladasparaIoTqueincluyenunainterfazdecomunicaciónycontrolque puede usarse sin emplear tiempo de aprendizaje (como el necesario para desarrollar un instrumentovirtualenLabView,esdecir,un.vi)y,alavez,evitalanecesidadderealizarun montajequeconsumetiempoenlaboratorio con un aprendizaje incremental nulo (los estudiantesyahanadquiridocompetenciasenelmontajeymedidadeotroscircuitos). ElpresentePIDhademostradolasventajasdenaturalezasinérgicaquepuedenextraersecon elusodecélulas/módulosdeIoTparalodocenciaprácticadesensoresquesepresentanenlas ALCANCEyCONTEXTO
5 conclusionesdeesteinforme. Los resultados de los PIDs previamente ejecutados por el grupo responsable del presente proyectoenlosúltimos10añoshanpermitidoinnovarenladocenciadeprácticasdeláreade Electrónicaquehanevolucionadodesdeelesquematradicionalde puesto fijo en banco (entrenador, osciloscopio y generador de funciones) hasta un nuevo paradigma que lo complementaconelempleodeplacasPCB,InstrumentaciónVirtual,diseñoCADeimpresión 3D.Estenuevoesquemahaintroducidotécnicasdesimulación,softwareyhardwareactuales dandocompetenciasalosestudiantesrelevantesaniveldeinvestigaciónyaplicaciónindustrial (LabView,diseñodeplacasPCBconUltiboard,simulacionesdecircuitosbasadasenSPICEcon PSPICEyMultisim,…).Enúltimotérminosehaempezadoasacarpartedelaenseñanzapráctica dellaboratorioconsoftwarequelosestudiantespuedenusarensusPCsoportátilesprivados (LabView,Multisim,…)perotambiénconelementoshardwarequeselesprestanduranteun tiempolimitado(MyDAQ). Estealtogradodeinnovaciónsehaalcanzadoenelpresenteproyectomedianteactividadesin situ(medidaseinstrumentacióndesensoresenlaboratorio)yexsitumedianteelusoporel estudiantedelsoftwareycontenidosquehemosgeneradoyseponenadisposicióndelos estudiantesenStudium.Lavirtualizacióndepartedelasprácticaspermitealestudiante,porun lado,conocereinteractuarconlainterfazdelinstrumento(kitdeevaluacióndecadasensor) antes de acceder al laboratorio – es decir, se puede reducir eltiempodeocupacióndel laboratoriosinimpactarsobreelaprovechamientoacadémicodelestudiantey,deacuerdocon esto,incrementarelnúmerodesensoresquesepuedenestudiar‐y,porotrolado,elestudiante puedededicarmástiempoalanálisisderesultadossinpresenciafísicaenellaboratorio.La propuestaquesehallevadoacaboenelpresentePIDhapermitidoincrementarlamotivación delestudianteysusposibilidadesdeaprendizaje. El planteamiento básico que motivó la propuesta del presente proyectofueelsiguiente: mientraslosconceptosbásicosqueseexplicanenteoríasepuedenaplicaraunampliotipode DESARROLLODELPROYECTOyRESULTADOS
6 sensores la toma manual de medidas usando el sensor, es decir, el procedimiento que típicamentesesigueenlaboratorioeslentaytediosalimitandoelnúmerodesensoresque puedenusarseenunasesióndeprácticas,adicionalmente,estastareasdetiporepetitivo(la tomamanualdemedidas)noaportanmuchosconocimientosalestudiantenicontribuyenasu motivación.AunqueenellaboratoriodeprácticassedisponedetarjetasDAQconLabView,ni LabView no se imparte en todas las titulaciones (por ejemplo, en el Grado en Ingeniería Química)nielcabezaldelpuestopuederecibirotrossensoresadicionales al integrado. AdicionalmentedebeconsiderarsequeelnúmerodepuestosDAQ+LabViewessolamentede7 yunaDAQPCIsimilaralasinstaladastieneuncostesuperioralosmileuros.Recientemente hanaparecidoenelmercadosensoresincorporadosenunaplacaPCBdebajocosteyreducidas dimensionesqueademásdelsensorincluyelacircuiteríadeacondicionamientodeseñal,una conexión USB (opcionalmente también comunicación de tipo WiFi, Zigbee o BlueTooth) y softwaregratuitodecontrolvisualización.Enesteproyectonosproponíamosrealizarpruebas defactibilidadparasuusoendocenciadeestetipodePCBsqueenrealidadsonmódulosIoTy quesecomercializancomoplacasdeevaluación(EvaluationBoard,EB)porvariosfabricantes. Paraalcanzaresteobjetivogeneralylosconcretosdelproyectolosmiembrosdelgrupo llevaronacabolassiguientesacciones: 1. Elección y adquisición de los sensores/EBs de desarrollo disponibles comercialmente al menor coste y que incluyan conexión USB, al menos un sensor (luz, temperatura,humedad,…)einterfazgráfica. 2. Verificacióndelamedidaofrecidaporlainterfazgráfica:Testeoenellaboratorio, comparaciónconotrossensores,medidasdirectasconosciloscopio/multímetro,… 3. Generación de contenidos y recursos docentes de autoaprendizaje que se han validadoenunaasignaturaenelprimercuatrimestrede2021. 4. Caracterizacióndesensores:Medidadeparámetrospropiosdetodoslossensores adquiridos. 5. Documentaciónynotasdeaplicaciónsobreelmontajedelossensoresyusodel softwaredecontrolqueseponenadisposicióndelosestudiantesenStudiumenfunciónde
7 loscontenidosdelprogramadecadaasignatura. Losrecursosdisponiblesqueseemplearánserán: • Moodle(Studium)paraladocumentación,accesoacontenidosyrecursosgeneradospara losestudiantes. • Instrumentos de medida de banco (osciloscopio digital de dos canales, multímetro, entrenador,…)queseusaránparacomprobaciónderesultados. • DAQsde14bitsparamedidasdealtaprecisión. SehanadquiridoEBsymaterialfungible(baterías,conectores,…).LasEBsdisponendealmenos unsensor,conconexiónyalimentaciónporUSBconinterfacescompatiblesconWindows7y 10 que permiten al estudiante controlarlamedidasindesarrollo adicional cumpliendo los requisitosdelamemoriadelproyecto:esdecir,puedenusarsedesdelosprimeroscursosde GradohastaelniveldeMásterenfuncióndesielénfasisseponeenlavisualizaciónoéstese desplazahacialamedidayanálisisderesultados.Deestamanera se garantiza la transversalidadalpoderserusadoenasignaturasdediferentestitulaciones. Figura 1. Sensor de proximidad/UV/luz ambiente Si1147deSiliconLabs. Figura2.PlacaPCBdeSiliconLabsconectadaaunPC. AmododeejemplopresentamoslafuncionalidaddedosdelasEBsadquiridas.Hemosutilizado elsensorópticodeSiliconLabsSi1147‐M01‐EB(Figura1)cuyahojatécnica puede consultarse
8 en (https://www.silabs.com/documents/public/data‐sheets/Si1145‐46‐47‐M01Rev1.0.pdf) montadoenunaplacaPCBconconexiónUSB2.0(Figura2).Laplacadisponedesoftwarede controlconunpaneldecontrolquesemuestraenlaFigura3. Figura3.PaneldecontroldelaEB. LasmedidasconelsensorSi1147sonlaprimerasintroducidasenellaboratoriodeprácticasde electrónicaenlosrangosópticos.Sinembargo,comohemosseñaladomásarriba,sedispone de una amplia experiencia en la medida usando sensores térmicos que, por otra parte, constituyenunagranpartedeloscontenidosenlaasignaturaFísicadeSensoresdelMFyMyse hanimplementadotantoenelGradoenFísicacomoenelGradodeIngenieríaQuímica. HemosoptadoporadoptarelmóduloUSBSi7013deSiliconLabsqueescapazdemedirtanto temperatura como humedad usando el sensor integrado Si7013—A20 cuyas hojas técnica pueden consultarse en https://www.silabs.com/documents/public/data‐sheets/Si7013‐ A20.pdf.
9 Figura4.MódulosensorUSBSi7013.Paneldecontrol delaEB. Figura5.SensoradicionalexternoSi7034. Figura6.PaneldecontroldelaEB. EnlaFigura4mostramosunafotografíadelaEBSi7013.Elsensoraparececonunacobertura porosadecolorblancoquepuedeidentificarsefácilmenteenlafotografía.Cercadelsensorse