Acquisition de données :A Primer for IoT Product Managers

L'un des attributs clés de l'Internet des objets est sa capacité à mesurer les signaux physiques pour mieux comprendre le monde qui nous entoure. C'est un sujet très important et que les chefs de produit doivent bien maîtriser. Dans cet article, je propose une introduction au monde de l'acquisition de données et aux paramètres clés que les PM doivent connaître.

Le processus d'acquisition de signaux du monde réel, ou acquisition de données, est un mystère pour la plupart des PM, surtout si vous n'avez pas été exposé au matériel. Mais plus vous en saurez sur le fonctionnement d'un produit IoT de bout en bout, plus vous pourrez avoir des conversations éclairées avec votre équipe d'ingénieurs.

N'oubliez pas que l'objectif n'est pas de devenir un expert en technologie ou de dicter la technologie que votre équipe d'ingénieurs doit utiliser pour construire le produit. L'objectif est de comprendre le contexte technologique afin que vous puissiez participer aux conversations d'ingénierie et ajouter le point de vue de l'entreprise et de l'utilisateur.

Dans un article précédent, j'ai parlé des 4 composants matériels clés inclus dans chaque appareil IoT. Dans cet article, je plonge plus profondément dans l'un de ces composants :le module d'acquisition de données.

Le rôle du module d'acquisition de données est d'acquérir des signaux physiques du monde réel et de les convertir en informations numériques pouvant être manipulées par un ordinateur.

Il existe deux principaux types de signaux du monde réel :les signaux discrets et les signaux analogiques. Pour vous aider à démarrer, dans cet article, je me concentrerai uniquement sur les signaux analogiques.

Qu'est-ce qu'un signal analogique ?

Un signal analogique est défini comme un signal continu dont l'amplitude ou la fréquence varie dans le temps. Ces variations se produisent en réponse à un changement des phénomènes physiques qu'elles mesurent. Par exemple, l'image ci-dessous montre que la température fluctue dans le temps.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec les signaux analogiques, parlons du matériel et du processus nécessaire pour acquérir ou « numériser » ces signaux.

L'aspect technique de l'acquisition de données peut devenir très compliqué. Du point de vue PM, je me concentrerai sur ces composants du processus d'acquisition de données :

1. Quel signal réel voulez-vous mesurer ?
2. Comprendre les capteurs
3. Conditionnement du signal
4. Travail de conversion analogique-numérique
5. Interprétation des données

1. Quel signal réel voulez-vous mesurer ?

Avant de commencer à planifier votre feuille de route matérielle, vous devez comprendre quel type de signaux physiques vous souhaitez mesurer. Exemples de signaux physiques :

• Température
• Son
• Humidité
• Vibrations
• Lumière
• Pression
• Etc

Remarquez que je ne saute pas directement dans la sélection d'un capteur. Les capteurs sont une composante technologique qui fournit un moyen d'atteindre une fin. Tout d'abord, il est important de comprendre quel type de signal vous devez mesurer et de bien comprendre comment vous prévoyez d'utiliser ces informations.

Une fois que vous avez déterminé le type de signal dont vous avez besoin, vous devrez rechercher des paramètres supplémentaires avant de travailler avec votre équipe pour sélectionner les bons capteurs. Voici quelques questions clés auxquelles vous devez répondre :

Quel type de signal exact allez-vous mesurer ?

Il ne suffit pas de dire que vous voulez mesurer le « gaz ». Quel type de gaz ? Oxygène? CO2 ? Quelles informations sur le gaz voulez-vous mesurer ? Couler? Température? Particules par pouce carré ? Soyez précis afin que votre équipe d'ingénieurs puisse choisir le meilleur capteur pour le travail.

À quelle vitesse le signal change-t-il ?

Disons que vous devez mesurer la température. Selon votre application, les mêmes phénomènes physiques (dans ce cas la température) peuvent changer très lentement (c'est-à-dire la température ambiante dans une pièce), ou peuvent changer très rapidement (c'est-à-dire la température à l'intérieur d'un moteur).

Comprendre à quelle vitesse votre signal change (taux de changement) aidera votre équipe à sélectionner des capteurs et des convertisseurs capables de suivre le signal que vous souhaitez mesurer.

Quelle est la portée du signal que vous devez mesurer ?

Par exemple, si vous mesurez la température ambiante, des capteurs avec une plage de 0 à 40 degrés Celsius devraient suffire. D'un autre côté, si vous mesurez la température à l'intérieur d'un four, vous aurez peut-être besoin de capteurs avec une plage de plusieurs milliers de degrés Celsius. Encore une fois, plus vous êtes précis, plus vous donnez à votre équipe d'ingénierie les moyens de prendre les bonnes décisions.

2. Comprendre les capteurs

Il existe des centaines de capteurs, ce qui vous donne une grande flexibilité pour choisir le bon capteur pour les signaux du monde réel que vous souhaitez mesurer. Mais comment fonctionnent les capteurs ?

Tous les capteurs analogiques produisent un signal électrique (tension ou courant) qui représente les variations du signal réel que vous souhaitez mesurer. Comme le signal du monde réel varie au fil du temps, le capteur produira un signal électrique qui représente avec précision ces variations.

3. Qu'est-ce que le conditionnement du signal ?

Chaque type de capteur produit un niveau différent de tension ou de courant de sortie. Et souvent, la sortie du capteur n'est pas compatible avec la plage d'entrée requise par le convertisseur analogique-numérique (ADC). Ou peut-être que le matériel de votre appareil est installé dans un endroit avec beaucoup de bruit électromagnétique, et vous avez besoin d'un moyen de nettoyer ce signal avant de le transmettre à l'ADC.

Le conditionnement du signal fait référence au processus de manipulation de la sortie de votre capteur afin qu'elle puisse être consommée par votre CAN. Les formes les plus courantes de conditionnement du signal sont :

• Décalage CC
• Amplification
• Atténuation
• Filtrage

De nombreux fournisseurs proposent des produits de conditionnement de signaux que vous pouvez ajouter au matériel de votre appareil pour garantir que le signal provenant de vos capteurs est prêt à être traité. Ces produits vont des puces individuelles aux modules matériels complets pour des applications spécialisées. Collaborez avec votre équipe d'ingénieurs pour déterminer la meilleure approche pour votre application.

4. Conversion analogique-numérique (ADC)

Le matériel de votre appareil doit numériser le signal provenant de vos capteurs avant que ces données puissent être utilisées par un ordinateur. Ce processus est appelé conversion analogique-numérique.

La conversion analogique-numérique est un sujet très approfondi. Dans cet article, je me concentrerai donc uniquement sur les paramètres les plus importants que les chefs de produit doivent connaître.

Un convertisseur analogique-numérique (ADC) est un élément matériel (généralement une puce) qui numérise un signal en prenant constamment des échantillons individuels de ce signal.

Les paramètres clés à prendre en compte dans un convertisseur analogique-numérique sont la fréquence d'échantillonnage et la résolution.

Taux d'échantillonnage

La fréquence d'échantillonnage fait référence à la fréquence à laquelle l'ADC prend des échantillons du signal analogique. Pour reproduire avec précision le contenu fréquentiel d'un signal analogique, le CAN doit échantillonner au moins deux fois plus vite que la fréquence la plus élevée du signal. Ceci est basé sur la fréquence de Nyquist.

Si vous souhaitez reproduire non seulement le contenu fréquentiel, mais également la forme et l'amplitude du signal dans le domaine temporel, l'ADC doit alors échantillonner à un taux beaucoup plus élevé. La règle empirique d'ingénierie est d'échantillonner 10 fois la fréquence de ce signal d'origine. Cela signifie que si votre signal a une fréquence de 100 Hz (100 cycles par seconde), alors votre convertisseur doit échantillonner à 1 000 Hz.

Les images ci-dessous montrent le résultat d'un échantillonnage lent vs rapide d'un signal analogique.

Résolution

La résolution fait référence à la granularité souhaitée pour votre précision. La résolution est spécifiée par le nombre de bits que l'ADC utilise pour représenter chaque échantillon. Ainsi, par exemple, vous pouvez avoir un ADC 2 bits, 4 bits, 8 bits, 24 bits, etc. Un ADC 2 bits pourrait enregistrer 4 valeurs (2^2 =4). Un CAN 4 bits peut mesurer 16 valeurs (2^4 =16) et ainsi de suite. Plus il y a de bits par échantillon, meilleure sera la résolution de votre mesure.

Regardons un exemple. Disons que vous avez un thermocouple (capteur de température) qui peut mesurer les changements de température entre 0 et 96 degrés Celsius. Si vous utilisez un CAN 4 bits, vous avez 16 valeurs possibles (2^4 =16) pour représenter la plage complète du capteur. Une sortie ADC de 0 correspond à 0 degré et une sortie ADC de 15 correspond à 96 degrés.

Si vous divisez la plage de mesure par le nombre de valeurs ADC, vous obtenez la taille de pas minimale que vous pouvez mesurer. Dans ce cas, la taille du pas est de 6 (96/16 =6). Cela signifie que la plus petite variation de température que vous pouvez enregistrer avec cet ADC est de 6 degrés.

Pensez maintenant au même exemple utilisant un CAN 8 bits. Si nous divisons la plage complète du capteur (96 degrés C) par la résolution ADC de 256 (2^8 =256), le résultat est 0,375 (96 / 256 =0,375) ce qui signifie qu'avec un ADC 8 bits, vous d être capable de distinguer des changements de température aussi petits que 0,375 de degré !

Un point clé du point de vue PM est que la combinaison de la fréquence d'échantillonnage et de la résolution détermine la quantité de données produite par votre appareil. Par exemple, si vous avez un CAN 24 bits et que vous échantillonnez à 200 kHz (oui, 200 000 échantillons par seconde), vous produisez 600 Ko de données par seconde dans ce seul capteur. Ce sont des données que vous devrez traiter à la périphérie, peut-être les transmettre au Cloud, les stocker, les sauvegarder, etc.

Maintenant que vous savez comment effectuer ces calculs, vous pouvez estimer la quantité de données brutes que votre produit produira par jour/mois/an. Sachez que les machines peuvent produire une tonne de données presque instantanément. Tenez compte de ces calculs afin de comprendre leur impact sur d'autres domaines de la pile technologique IoT et d'autres domaines de décision tels que les affaires et la sécurité.

5. Interprétation

Maintenant que vous avez le signal numérisé, vous devez appliquer une transformation pour donner un sens à ces données. N'oubliez pas que la sortie d'un capteur n'est qu'un nombre qui correspond aux changements des phénomènes physiques qu'il mesure.

Pour en revenir à l'exemple de la température, un thermocouple ne renvoie pas de valeurs en degrés Celsius ou Fahrenheit. Il renvoie simplement un nombre que vous devez convertir en une unité logique à utiliser par les humains. Ce processus est appelé interprétation.

Gardez à l'esprit que chaque capteur est différent. Le fabricant du capteur vous fournira une formule pour convertir la valeur brute en une unité utilisable.

Au cours du processus d'interprétation, il est également courant d'attacher des métadonnées à la mesure de votre capteur. Certaines métadonnées peuvent inclure :

• Horodatage (ajouté à chaque échantillon ADC pour créer une série temporelle)
• ID du capteur
• Identifiant du lieu
• ID de l'appareil
• Etc

Le résultat final

L'acquisition de données est un élément clé de chaque produit IoT. C'est une discipline profonde et complexe, et vous n'avez pas besoin d'être un expert. Votre objectif en tant que chef de projet est de comprendre comment fonctionne la technologie et comment les éléments s'emboîtent afin que vous puissiez avoir des conversations productives avec l'ingénierie.

Vous ne devez pas vous concentrer sur le processus d'acquisition de données lui-même, mais sur les éléments de votre stratégie de données, y compris la quantité de données que vous produisez, la quantité que vous transférez et, plus important encore, la façon dont vous apporterez de la valeur à votre client avec cela. données.