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Ingeniería del “Internet de las Cosas”

El auge del “Internet de las Cosas” (IoT: Internet of Things) ha sido estimulado por la disponibilidad procesadores más rápidos, más pequeños y más asequibles, la mejora de la tecnología de baterías y la ampliación de la infraestructura de comunicaciones inalámbricas. La ubicuidad de sensores baratos y compactos que conectan las redes de dispositivos integrados con el mundo físico significa que cualquier dispositivo puede ser inteligente, automatizado y portátil. Es ampliamente aceptado que el “Internet de las Cosas” tendrá un tremendo impacto en nuestros dispositivos de consumo, pero tenemos que reconocer que va a determinar el futuro de nuestros procesos industriales e infraestructuras. 

El cliente del “Internet de las Cosas” tiene el potencial de cambiar la forma de interactuar con el mundo que nos rodea, desde la reducción de la energía que utilizamos para enfriar o calentar nuestros hogares con sistemas de climatización inteligentes que permiten controlar el número de calorías que se gastan en base a los niveles de actividad medidos. Las plataformas de prueba y medida juegan un papel clave en la evaluación de estos aparatos antes de que lleguen al mercado.

  una segunda área de enfoque, el “Internet de las Cosas Industrial”, donde el control, la prueba y las plataformas de vigilancia son el producto final, a diferencia de los dispositivos de consumo inteligentes. Gracias a miles de millones de sensores distribuidos para recopilar datos, el “Internet de las Cosas Industrial” transformará el funcionamiento de los negocios. Por ejemplo, los avances en la comunicación máquina- a-máquina va a revolucionar la producción de las fábricas mediante un mejor control de los procesos y la automatización. La agregación de los datos de todas las etapas del proceso de producción permitirá decisiones más rápidas e inteligentes que pueden impactar de inmediato en el funcionamiento de una planta entera de la fábrica, desde el suministro a la fabricación y al envío.

El rápido cambio hacia sistemas inteligentes presenta un enorme reto a los ingenieros de diseño embebido. La creación de estos sistemas complejos implica no sólo el diseño de los dispositivos embebidos que permiten recoger datos de los sensores, sino también el desarrollo de un método para la creación de redes de estos dispositivos y una lógica sofisticada de programación para tomar decisiones en tiempo real basadas en los datos recogidos. Estos sistemas generan enormes cantidades de datos que tienen que ser gestionados y además analizados para detectar macro-tendencias.

El número de ingenieros de sistemas embebidos en la industria no puede crecer lo suficientemente rápido para mantener el ritmo de la creciente demanda de dispositivos conectados. Mientras tanto, las empresas tienen que sacar el máximo provecho de presupuestos limitados y reducir al mínimo su tiempo de comercialización dentro de un entorno ultra competitivo. Para alcanzar 50 mil millones de dispositivos conectados en el año 2020, las herramientas de diseño embebido y la gestión de datos deben evolucionar para permitir a los ingenieros y a los expertos de dominio desarrollar sistemas con equipos humanos más pequeños y en menos tiempo.

 La evolución de las herramientas de diseño de sistemas embebidos

Las herramientas para la ingeniería del “Internet de las Cosas Industrial” deben permitir el rápido diseño, creación de prototipos y despliegue de sistemas embebidos. Un método basado en plataforma, pionero en la Universidad de California, Berkeley, utiliza una metodología probada para la creación de soluciones embebidas complejas. De acuerdo con un reciente artículo de Morgan Stanley, “El Internet de las Cosas está ahora conectando la economía real”, se espera que la industria se desplace a plataformas de desarrollo creadas para ello o al menos optimizadas para el “Internet de las Cosas”. Estas plataformas automatizarán gran parte del trabajo de desarrollo, permitiendo a los desarrolladores centrarse en lo más importante del negocio en lugar de hacerlo en la infraestructura necesaria para integrar el “Internet de las Cosas”.

Vamos a considerar la posibilidad de utilizar un método tradicional para diseñar soluciones embebidas personalizadas. Se necesitan varios expertos para implementar el diseño digital, analógico y mecánico del hardware integrado, al mismo tiempo que el diseño del software embebido que da vida al sistema. El diseño del software por sí solo requiere conocimientos especializados para desarrollar el sistema operativo que de soporte a la placa, los controladores de dispositivos, la interfaz de programación de la aplicación (API: Application Programming Interface) y la propia aplicación.

Además, se necesitan expertos de dominio para especificar los requisitos de este sistema. Por ejemplo, un experto en el control del proceso de fabricación debe desempeñar un papel integral en la especificación de los datos que se requieren para tomar decisiones sensatas en el proceso, con el objetivo final de incrementar la eficiencia del sistema de fabricación. Para realizar plenamente el “Internet de las Cosas Industrial”, los ingenieros necesitan mejores herramientas para crear sistemas embebidos complejos con menos gente.

Un método basado en plataforma permite a los equipos humanos más pequeños realizar desarrollos de manera más eficiente al proporcionar un conjunto coherente de herramientas que simplifica las complejidades de diseño del sistema. De esta manera, la plataforma de herramientas funciona de manera más eficiente permitiendo a los expertos de dominio enfocarse en los retos a nivel de aplicación sin dejarse vencer por los detalles de la implementación de bajo nivel, tales como la creación de un paquete personalizado de soporte de la placa.

Gracias al adecuado sistema basado en plataforma, los diseñadores pueden separar los retos de diseño mediante la definición de los elementos de la plataforma que interactúan a través de una API clara, dando como resultado diseños altamente modulares.

 Este método hace que sea posible sustituir o actualizar elementos con hardware disponible en el comercio para disminuir los costes de desarrollo. Del mismo modo, los diseñadores pueden reutilizar estos elementos de la plataforma para futuras iteraciones, verificación y documentación.

Utilizando una plataforma para la creación rápida de prototipos se reduce el tiempo de lanzamiento al mercado

El diseño basado en plataforma se puede utilizar en todas las etapas del ciclo de diseño embebido, desde el modelado a las pruebas de validación. El desarrollo de un prototipo de sistema es una parte importante de este proceso, ya sea para demostrar la viabilidad técnica de una idea o para demostrar a los inversores potenciales el valor que reporta al negocio. Cuando se diseñan los tipos de sistemas que impulsarán el “Internet de las Cosas”, un método basado en plataforma es particularmente efectivo para habilitar la creación rápida de prototipos.

En particular, las plataformas de desarrollo que proporcionan acceso a la tecnología de FPGAs a los expertos de dominio han cambiado las reglas del juego en el diseño rápido de prototipos. Los equipos pueden usar FPGAs para desarrollar rápidamente una solución de hardware embebido personalizado, sin tener que repetir el largo proceso de fabricación de ASICs personalizados cada vez que modifican un diseño. Puesto que las FPGAs son reconfigurables, los equipos humanos pueden iterar rápidamente en su diseño, ya sea para corregir errores o agregar funcionalidad, y modificar el circuito FPGA en cuestión de horas en lugar de semanas.

Un ejemplo de una empresa que está llevando esto a cabo es Airbus, un fabricante que es líder a nivel mundial de aviones comerciales. La compañía está adoptando el “Internet de las Cosas” para revolucionar sus procesos de fabricación mediante lo que ellos llaman la “Fábrica del Futuro”. Debido a que la producción de aviones requiere el montaje de equipos grandes y pesados, una alineación precisa, control de calidad y trazabilidad, muchos de estos procesos se realizan en gran parte de forma manual. La “Fábrica del Futuro” es un proyecto de investigación y tecnología, enfocado a emplear las nuevas tecnologías para que sea posible hacer frente a estos exigentes requisitos e incrementar la calidad y la productividad.

Airbus cree que un método basado en plataforma es esencial para que la “Fábrica del Futuro” sea realidad. Inicialmente, trataron de resolver cada problema de manera aislada, lo que hizo que la comunicación y la reutilización del código fuese muy difícil.

Para hacer frente a este reto, un pequeño equipo de ingenieros decidió crear una plataforma de hardware y software que pudiera escalarse a través de los diferentes tipos de dispositivos gracias a algoritmos específicos, tales como la visión artificial, el diseño de filtros y la planificación de movimientos.

NI tiene una posición única para permitir a estos diseñadores resolver rápidamente el desafío de IoT con un método basado en hardware y software altamente integrado. Este método se centra en LabVIEW, una poderosa herramienta de software de diseño de sistemas para la programación del hardware disponible en el comercio con procesadores integrados, FPGAs y una amplia gama de módulos de E/S. Al usar esta plataforma, los equipos humanos más pequeños pueden desarrollar sistemas embebidos complejos que tradicionalmente hubieran requerido el doble de personal. Este método coherente basado en plataforma dedicada al diseño de sistemas embebidos proporciona a los ingenieros las herramientas adecuadas para crear de manera eficiente el “Internet de las Cosas Industrial”.

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