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Cómo puede un pequeño microcontrolador con circuitos analógicos sofisticados ahorrar espacio y costes del sistema en aplicaciones alimentadas por batería

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El desarrollo de aplicaciones como sistemas de seguridad y dispositivos de monitorización médica inalámbrica depende de varios factores para garantizar un diseño exitoso. Sin embargo, la complejidad del diseño y su eficiencia energética se hallan entre los más importantes cuando se trata de aplicaciones alimentadas y conectadas a una batería. Esto se debe a que, cuando mayor es la autonomía de la batería en una aplicación final, menor debe ser el consumo medio.

Para cubrir mejor las necesidades de alimentación en estas aplicaciones, y al mismo tiempo lograr que los diseños sean fiables y muy duraderos, los diseñadores deberían plantearse en primer lugar recurrir a microcontroladores pequeños y con un consumo eficiente que incorporen funciones inteligentes y sofisticadas. Los microcontroladores de este tipo son capaces de asumir la mayoría de las tareas que requiere la aplicación y necesitan menos componentes pasivos externos en el diseño de un nodo sensor. Además se caracterizan por su bajo consumo e incorporan funciones que aumentan el nivel de flexibilidad y sencillez.
Por ejemplo, al diseñar nodos sensores alimentados por batería para una aplicación como un sistema de seguridad doméstica se recurre a menudo a un detector de movimiento pasivo por infrarrojos (Passive InfraRed, PIR) dentro y fuera de la vivienda. Un sensor PIR detecta cambios en la cantidad de radiación infrarroja que “ven” los elementos sensores, la cual varía dependiendo de la temperatura y de las características de la superficie del objeto situado frente al sensor. Cuando pasa una persona entre el sensor y el fondo, el sensor detecta la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura del cuerpo y viceversa. Luego convierte esta diferencia en la radiación infrarroja de entrada en una variación de la tensión de salida (VPIR(t)). Otros objetos con la misma temperatura que el fondo, pero con diferentes características en la superficie, también harán que el sensor detecte un patrón de emisión diferente, como se puede ver en la Figura 1.
Figura 1. Principio de detección de movimiento de un sensor PIR.

 

Los niveles de la señal de salida de un sensor PIR suelen ser muy bajas e inferiores a 1 mV. Para detectar el movimiento y evitar detecciones falsas, la señal analógica se debe amplificar antes de ser muestreada por el convertidor A/D (ADC). En las soluciones basadas en PIR se suele llevar a cabo mediante varias etapas con amplificadores operacionales de alta ganancia, lo cual a su vez aumenta la complejidad del diseño, el número de componentes, la eficiencia energética y los costes, entre otros. Siga leyendo para saber cómo un microcontrolador pequeño y con un consumo eficiente puede ayudar a reducir estos efectos.

Complejidad de diseño
Un nodo sensor PIR basado en pequeño microcontrolador que ofrezca una serie de funciones, como un ADC diferencial de 12 bit con un amplificador de ganancia programable (programmable gain amplifier, PGA), necesita menos componentes externos, ocupa menos espacio en la placa y disminuye el coste de la lista de materiales. Pensemos en el sensor PIR Click de MickroE. Se trata de una placa de circuito impreso con todos los componentes pasivos que requiere un nodo sensor PIR para su funcionamiento. La placa click se basa en una solución con amplificadores operacionales que incluye varios ADC, resistencias y condensadores. Se ha diseñado de tal manera que es muy fácil de usar para simplificar el desarrollo de prototipos y su evaluación. Una configuración típica que facilite el desarrollo de un prototipo puede consistir en una placa PIR Click junto con Curiosity Nano Base for Click boards™ y un kit de evaluación Curiosity Nano de Microchip. Una solución con un nodo sensor PIR puede aprovechar un microcontrolador como ATtiny1627 de Microchip Technology, que incorpora un ADC diferencial de  12 bit y un PGA. El número de componentes externos se puede reducir de manera significativa eliminando la necesidad de un amplificador operacional para amplificar la señal. Esto, junto con un ADC externo, también permite suprimir otros componentes pasivos, como resistencias y condensadores.

Por tanto, al utilizar un microcontrolador de este tipo se puede simplificar notablemente el diseño de la placa de circuito impreso para el PIR click. La Figura 2 muestra los componentes que se pueden eliminar (X) y cómo se pueden efectuar las nuevas conexiones (líneas azules).
Nota: En este ejemplo, la PIR click se utiliza como base para las modificaciones ya que resultaba más práctico que diseñar una nueva placa de circuito impreso y adquirir los componentes necesarios. Esta solución modificada no compite con la finalidad de las placas Click.

Figura 2. Ejemplo de modificaciones en la PIR click y esquema.


Con estas modificaciones, aprovechando la ventaja que ofrecen el ADC diferencial de 12 bit y el PGA integrados, la Figura 3 también muestra los pocos componentes externos necesarios cuando se selecciona el microcontrolador adecuado.

Figura 3. PIR click modificada y esquema.

Al tener menos componentes externos, el diseño del hardware y de la placa de circuito impreso será más limpio y compacto ya que el hardware necesita menos componentes externos. Además, el software y el firmware pueden ser más compactos y eficientes dado que el microcontrolador asume más tareas. La temporización y la sincronización también se gestionarán con más facilidad.

Cuando gran parte de la complejidad que implica el diseño del nodo sensor se traslada del hardware al microcontrolador y la CPU (central processing unit) y se gestiona mediante firmware es más flexible cambiar y añadir funcionalidad durante el proceso de desarrollo. Todo ello sin gastar tiempo en rediseñar la placa, con el correspondiente ahorro de tiempo y coste para los diseñadores. También resulta más sencillo optimizar código para factores como el consumo. Con solo cambiar los ajustes de loa parámetros los diseñadores podrán realizar cambios en el código de la aplicación, añadir funcionalidad u optimizar el código para reducir el consumo o sensibilidad relacionada con las condiciones ambientales, como variaciones de la temperatura ambiente ya que para los sensores puede ser difícil detectar a una persona cuando la temperatura ambiente supera los 30°C. Otro ejemplo de funcionalidad añadida podría ser incorporar aprendizaje automático con el fin de reconocer patrones de movimiento y enseñar al sistema a distinguir entre el ruido y una persona real que se mueve hacia un animal, etc.
En aplicaciones de detección del movimiento que utilicen sensores PIR, microcontroladores como el ATtiny1627 llevan la complejidad del hardware al firmware y el software ya que gran parte de la funcionalidad necesaria viene incorporada en el propio microcontrolador. De esta manera disminuye la complejidad y aumenta la flexibilidad.

Eficiencia energética
El consumo de los nodos sensores inalámbricos es crucial. Cuanto mayor es la autonomía de la batería, mayor es también la vida útil del nodo sensor, y por tanto toda la red sensores del sistema. Esto es válido para todos los sistemas sensores inalámbricos. Si se han instalado decenas, cientos o miles de sensores para diferentes tipos de monitorización, el nodo se considerará fuera de servicio o disfuncional si se apaga. Para sistemas de sensores de mayor tamaño, cambiar una batería o el propio nodo significa añadir un coste al usuario final y que el sistema se encuentre fuera de servicio o no sea totalmente funcional mientras el nodo está apagado, lo cual puede provocar incidentes no deseados sin previo aviso. Por tanto, cuanto mayor sea la autonomía de la batería, mejor.
Gracias a los modos de reposo (dormido) del microcontrolador y a su rápido tiempo de activación, cada nodo sensor puede consumir el mínimo. El nodo puede mantenerse en reposo y activarse con rapidez cuando se detecte un movimiento debido a un cambio de temperatura dentro del rango del sensor, luego procesar la señal y volver al modo de reposo, aumentando así la autonomía de cada nodo alimentado por batería sin necesidad de cambiarla. Consulte la figura 4 para ver cómo funciona la CPU cuando aprovecha los modos de repaso y el rápido tiempo de activación. El consumo depende de la aplicación y variará de la configuración del sensor PIR, el tiempo de adquisición de la muestra y los parámetros de filtrado, lo cual afectará a su vez a la distancia de detección y/o la sensibilidad. Estos parámetros se pueden ajustar para reducir aún más el consumo cuando la demandade la aplicación es más baja.
Figura 4. Cronograma del firmware.

Microcontroladores potentes como el ATtiny1627 son capaces de integrar funciones inteligentes y sofisticadas que mejoran el consumo de corriente y la eficiencia energética, ocupan menos espacio y prolongan la vida útil de aplicaciones alimentadas y conectadas a una batería, además de reducir la complejidad del diseño, los costes totales del sistema y el plazo de comercialización.

Autor: Stian Sogstad, MCU8, Microchip Technology

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