Salah satu atribut utama Internet of Things adalah kemampuannya untuk mengukur sinyal fisik untuk lebih memahami dunia di sekitar kita. Ini adalah topik yang sangat penting dan harus dipahami dengan baik oleh Manajer Produk. Dalam postingan ini, saya memberikan pengantar tentang dunia akuisisi data dan parameter utama yang perlu diketahui PM.
Proses memperoleh sinyal dunia nyata, atau Akuisisi Data, adalah misteri bagi sebagian besar PM, terutama jika Anda belum pernah menggunakan perangkat keras. Namun, semakin Anda tahu tentang cara kerja produk IoT ujung ke ujung, semakin banyak percakapan yang dapat Anda lakukan dengan tim teknik Anda.
Ingatlah bahwa tujuannya bukan untuk menjadi ahli teknologi atau mendikte teknologi yang harus digunakan tim teknik Anda untuk membuat produk. Tujuannya adalah untuk memahami konteks teknologi sehingga Anda dapat bergabung dengan percakapan teknik dan menambahkan perspektif bisnis dan pengguna.
Dalam posting sebelumnya, saya menulis tentang 4 komponen perangkat keras utama yang disertakan di setiap Perangkat IoT. Dalam postingan ini, saya mendalami salah satu komponen ini:Modul Akuisisi Data.
Peran Modul Akuisisi Data adalah untuk memperoleh sinyal fisik dari dunia nyata dan mengubahnya menjadi informasi digital yang dapat dimanipulasi oleh komputer.
Ada dua jenis utama sinyal dunia nyata:sinyal diskrit dan sinyal analog. Untuk memulai, dalam postingan ini saya hanya akan fokus pada sinyal analog.
Apa itu sinyal analog?
Sinyal analog didefinisikan sebagai sinyal kontinu yang memvariasikan amplitudo atau frekuensinya dari waktu ke waktu. Variasi ini terjadi sebagai respons terhadap perubahan fenomena fisik yang mereka ukur. Misalnya, gambar di bawah menunjukkan suhu yang berfluktuasi dari waktu ke waktu.
Sekarang setelah Anda terbiasa dengan sinyal analog, mari kita bicara tentang perangkat keras dan proses yang diperlukan untuk memperoleh atau "mendigitalkan" sinyal ini.
Aspek rekayasa akuisisi data bisa menjadi sangat rumit. Dari perspektif PM, saya akan fokus pada komponen proses akuisisi data ini:
Sinyal dunia nyata apa yang ingin Anda ukur?
Memahami sensor
Pengkondisian sinyal
Kerja konversi Analog-ke-Digital
Interpretasi data
1. Sinyal dunia nyata apa yang ingin Anda ukur?
Sebelum Anda mulai merencanakan peta jalan perangkat keras Anda, Anda perlu memahami jenis sinyal fisik apa yang ingin Anda ukur. Contoh sinyal fisik meliputi:
Suhu
Suara
Kelembaban
Getaran
Cahaya
Tekanan
Dll
Perhatikan saya tidak langsung memilih sensor. Sensor adalah komponen teknologi yang menyediakan sarana untuk mencapai tujuan. Pertama, penting untuk memahami jenis sinyal apa yang perlu Anda ukur dan memahami dengan baik bagaimana Anda berencana menggunakan informasi tersebut.
Setelah Anda menentukan jenis sinyal yang Anda butuhkan, maka Anda perlu meneliti beberapa parameter tambahan sebelum bekerja dengan tim Anda untuk memilih sensor yang tepat. Berikut adalah beberapa pertanyaan kunci yang perlu Anda jawab:
Apa jenis sinyal yang tepat yang akan Anda ukur?
Tidaklah cukup untuk mengatakan Anda ingin mengukur "gas". Jenis gas yang mana? Oksigen? CO2? Informasi apa tentang gas yang ingin Anda ukur? Mengalir? Suhu? Partikel per inci persegi? Spesifik agar tim teknisi Anda dapat memilih sensor terbaik untuk pekerjaan tersebut.
Seberapa cepat sinyal berubah?
Katakanlah Anda perlu mengukur suhu. Bergantung pada aplikasi Anda, fenomena fisik yang sama (dalam hal ini suhu) dapat berubah sangat lambat (yaitu suhu lingkungan di dalam ruangan), atau dapat berubah sangat cepat (yaitu suhu di dalam mesin).
Memahami seberapa cepat sinyal Anda berubah (laju perubahan) akan membantu tim Anda memilih sensor dan konverter yang dapat mengikuti sinyal yang ingin Anda ukur.
Berapa jangkauan sinyal yang perlu Anda ukur?
Misalnya, jika Anda mengukur suhu ruangan, maka memiliki sensor dengan kisaran 0-40 derajat Celcius sudah cukup. Di sisi lain, jika Anda mengukur suhu di dalam tungku, maka Anda mungkin memerlukan sensor dengan kisaran ribuan derajat Celcius. Sekali lagi, semakin spesifik Anda, semakin Anda memberdayakan tim teknik Anda untuk membuat keputusan yang tepat.
2. Memahami sensor
Ada ratusan sensor di luar sana, yang memberi Anda fleksibilitas tinggi untuk memilih sensor yang tepat untuk sinyal dunia nyata yang ingin Anda ukur. Tapi bagaimana cara kerja sensor?
Semua sensor analog menghasilkan sinyal listrik (tegangan atau arus) yang mewakili variasi sinyal dunia nyata yang ingin Anda ukur. Karena sinyal dunia nyata bervariasi dari waktu ke waktu, sensor akan menghasilkan sinyal listrik yang secara akurat mewakili variasi tersebut.
3. Apa itu pengkondisian sinyal?
Setiap jenis sensor menghasilkan tingkat tegangan atau arus keluaran yang berbeda. Dan seringkali output dari sensor tidak sesuai dengan range input yang dibutuhkan oleh analog-to-digital converter (ADC). Atau mungkin perangkat keras perangkat Anda dipasang di tempat dengan banyak gangguan elektromagnetik, dan Anda memerlukan cara untuk membersihkan sinyal tersebut sebelum meneruskannya ke ADC.
Pengkondisian sinyal mengacu pada proses memanipulasi output sensor Anda sehingga dapat dikonsumsi oleh ADC Anda. Bentuk paling umum dari pengkondisian sinyal adalah:
Pengimbangan DC
Amplifikasi
Atenuasi
Pemfilteran
Banyak vendor memiliki produk pengkondisi sinyal yang dapat Anda tambahkan ke perangkat keras perangkat Anda untuk memastikan sinyal yang berasal dari sensor Anda siap untuk diproses. Produk ini berkisar dari chip individual hingga modul perangkat keras lengkap untuk aplikasi khusus. Bekerja dengan tim teknik Anda untuk menentukan pendekatan terbaik untuk aplikasi Anda.
4. Konversi analog-ke-digital (ADC)
Hardware perangkat Anda perlu mendigitalkan sinyal yang berasal dari sensor Anda sebelum data tersebut dapat digunakan oleh komputer. Proses ini disebut konversi analog-ke-digital.
Konversi analog-ke-digital adalah topik yang sangat mendalam, jadi dalam posting ini saya hanya akan fokus pada parameter terpenting yang perlu diketahui Manajer Produk.
Konverter analog-ke-digital (ADC) adalah bagian dari perangkat keras (biasanya chip) yang mendigitalkan sinyal dengan terus-menerus mengambil sampel individu dari sinyal tersebut.
Parameter utama yang perlu dipertimbangkan dalam konverter analog-ke-digital adalah kecepatan sampel dan resolusi.
Rasio sampel
Sample rate mengacu pada seberapa sering ADC mengambil sampel dari sinyal analog. Untuk mereproduksi konten frekuensi sinyal analog secara akurat, ADC perlu mengambil sampel setidaknya dua kali lebih cepat dari frekuensi tertinggi sinyal. Ini didasarkan pada frekuensi Nyquist.
Jika Anda ingin mereproduksi tidak hanya konten frekuensi, tetapi juga bentuk dan amplitudo sinyal dalam domain waktu, maka ADC perlu mengambil sampel dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi. Aturan praktisnya adalah mengambil sampel 10x frekuensi sinyal asli ini. Artinya, jika sinyal Anda memiliki frekuensi 100 Hz (100 siklus per detik), maka konverter Anda perlu mengambil sampel pada 1.000 Hz.
Gambar di bawah menunjukkan hasil pengambilan sampel sinyal analog lambat vs cepat.
Resolusi
Resolusi mengacu pada seberapa granular Anda menginginkan akurasi Anda. Resolusi ditentukan oleh jumlah bit yang digunakan ADC untuk mewakili setiap sampel. Jadi misalnya, Anda dapat memiliki ADC 2 bit, 4 bit, 8 bit, 24 bit, dll. ADC 2 bit dapat mendaftarkan 4 nilai (2^2 =4). ADC 4 bit dapat mengukur 16 nilai (2^4 =16) dan seterusnya. Semakin banyak bit per sampel, semakin baik resolusi pengukuran Anda.
Mari kita lihat sebuah contoh. Katakanlah Anda memiliki termokopel (sensor suhu) yang dapat mengukur perubahan suhu antara 0 dan 96 derajat Celcius. Jika Anda menggunakan ADC 4 bit, maka Anda memiliki 16 kemungkinan nilai (2^4 =16) untuk mewakili rangkaian lengkap sensor. Output ADC 0 sesuai dengan 0 derajat dan output ADC 15 sesuai dengan 96 derajat.
Jika Anda membagi rentang pengukuran dengan jumlah nilai ADC, Anda mendapatkan ukuran langkah minimum yang dapat Anda ukur. Dalam hal ini, ukuran langkah adalah 6 (96/16 =6). Artinya, variasi suhu terkecil yang dapat Anda catat dengan ADC ini adalah 6 derajat.
Sekarang pikirkan contoh yang sama menggunakan ADC 8 bit. Jika kita membagi rentang penuh sensor (96 derajat C) dengan resolusi ADC 256 (2^8 =256), hasilnya adalah 0,375 (96 / 256 =0,375) yang berarti bahwa dengan ADC 8 bit, Anda ' d dapat membedakan perubahan suhu sekecil 0,375 derajat!
Kesimpulan utama dari perspektif PM adalah bahwa kombinasi laju sampel dan resolusi menentukan berapa banyak data yang dihasilkan perangkat Anda. Misalnya, jika Anda memiliki ADC 24 bit dan Anda mengambil sampel pada 200 kHz (ya, 200.000 sampel per detik), maka Anda akan menghasilkan 600kB data per detik hanya dalam satu sensor ini. Ini adalah data yang perlu Anda proses di edge, mungkin dikirimkan ke Cloud, menyimpan, mencadangkan, dll.
Sekarang setelah Anda mengetahui cara melakukan perhitungan ini, Anda dapat memperkirakan berapa banyak data mentah yang akan dihasilkan produk Anda per hari/bulan/tahun. Ketahuilah bahwa mesin dapat menghasilkan satu ton data hampir secara instan. Perhatikan perhitungan ini agar Anda memahami bagaimana pengaruhnya terhadap area lain dari Tumpukan Teknologi IoT dan Area Keputusan lainnya seperti Bisnis dan Keamanan.
5. Interpretasi
Sekarang setelah Anda memiliki sinyal digital, Anda perlu menerapkan beberapa transformasi untuk memahami data tersebut. Ingatlah bahwa keluaran sensor hanyalah angka yang berkorelasi dengan perubahan fenomena fisik yang mereka ukur.
Kembali ke contoh suhu, termokopel tidak mengembalikan nilai dalam derajat Celcius atau Fahrenheit. Itu hanya mengembalikan angka yang perlu Anda konversi ke unit yang masuk akal untuk digunakan manusia. Proses ini disebut interpretasi.
Perlu diingat bahwa setiap sensor berbeda. Pabrikan sensor akan memberi Anda formula untuk mengubah nilai mentah menjadi unit yang dapat digunakan.
Selama proses interpretasi, biasanya juga melampirkan metadata ke pengukuran sensor Anda. Beberapa metadata mungkin termasuk:
Stempel waktu (ditambahkan ke setiap sampel ADC untuk membuat deret waktu)
ID Sensor
ID Lokasi
ID Perangkat
Dll
Intinya
Akuisisi data adalah komponen kunci dari setiap produk IoT. Ini adalah disiplin yang dalam dan kompleks, dan Anda tidak perlu menjadi ahli. Tujuan Anda sebagai PM adalah untuk memahami cara kerja teknologi dan bagaimana bagian-bagiannya cocok sehingga Anda dapat melakukan percakapan yang produktif dengan teknisi.
Fokus Anda seharusnya tidak pada proses akuisisi data itu sendiri, tetapi pada elemen strategi data Anda, termasuk berapa banyak data yang akan Anda hasilkan, berapa banyak yang Anda transfer, dan yang lebih penting, bagaimana Anda akan memberikan nilai kepada pelanggan Anda dengan ini. data.
