Сбор данных:учебник для менеджеров по продуктам Интернета вещей

Одним из ключевых атрибутов Интернета вещей является его способность измерять физические сигналы, чтобы лучше понимать мир вокруг нас. Это очень важная тема, и менеджеры по продукту должны хорошо разбираться в ней. В этом посте я познакомлю вас с миром сбора данных и расскажу об основных параметрах, которые необходимо знать менеджерам по менеджменту.

Процесс получения реальных сигналов или сбора данных является загадкой для большинства менеджеров по маркетингу, особенно если вы не работали с оборудованием. Но чем больше вы знаете о том, как работает продукт для сквозного Интернета вещей, тем более информированным общением вы сможете общаться со своей командой инженеров.

Помните, что цель не в том, чтобы стать экспертом по технологиям или диктовать технологию, которую ваша команда инженеров должна использовать для создания продукта. Цель состоит в том, чтобы понять технологический контекст, чтобы вы могли присоединиться к обсуждениям инженеров и добавить точки зрения бизнеса и пользователей.

В предыдущем посте я написал о 4 ключевых аппаратных компонентах, включенных в каждое IoT-устройство. В этом посте я подробнее расскажу об одном из этих компонентов:модуле сбора данных.

Роль модуля сбора данных - получать физические сигналы из реального мира и преобразовывать их в цифровую информацию, которой можно управлять с помощью компьютера.

Есть два основных типа реальных сигналов:дискретные сигналы и аналоговые сигналы. Для начала в этом посте я остановлюсь только на аналоговых сигналах.

Что такое аналоговый сигнал?

Аналоговый сигнал определяется как непрерывный сигнал, амплитуда или частота которого изменяется во времени. Эти изменения происходят в ответ на изменение физических явлений, которые они измеряют. Например, на изображении ниже показаны колебания температуры во времени.

Теперь, когда вы знакомы с аналоговыми сигналами, давайте поговорим об оборудовании и процессе, необходимом для получения или "оцифровки" этих сигналов.

Инженерный аспект сбора данных может быть очень сложным. С точки зрения менеджера проекта я сосредоточусь на следующих компонентах процесса сбора данных:

1. Какой реальный сигнал вы хотите измерить?
2. Что такое датчики
3. Обработка сигнала
4. Работа по аналого-цифровому преобразованию
5. Интерпретация данных

1. Какой реальный сигнал вы хотите измерить?

Прежде чем приступить к планированию дорожной карты оборудования, вам необходимо понять, какие типы физических сигналов вы хотите измерять. Примеры физических сигналов:

• Температура
• Звук
• Влажность
• Вибрация
• Свет
• Давление
• И т. д.

Обратите внимание, я не сразу перехожу к выбору датчика. Датчики - это технологический компонент, обеспечивающий средство для достижения цели. Во-первых, важно понимать, какой тип сигнала нужно измерять, и понимать, как вы планируете использовать эту информацию.

После того, как вы определите тип сигнала, который вам нужен, вам нужно будет изучить некоторые дополнительные параметры, прежде чем работать со своей командой, чтобы выбрать правильные датчики. Вот несколько ключевых вопросов, на которые вам нужно ответить:

Какой именно тип сигнала вы будете измерять?

Недостаточно сказать, что вы хотите измерить «газ». Какой вид газа? Кислород? CO2? Какую информацию о газе вы хотите измерить? Поток? Температура? Частиц на квадратный дюйм? Будьте конкретны, чтобы ваша команда инженеров могла выбрать лучший датчик для работы.

Как быстро меняется сигнал?

Допустим, вам нужно измерить температуру. В зависимости от вашего приложения, одни и те же физические явления (в данном случае температура) могут изменяться очень медленно (например, температура окружающей среды в помещении) или могут изменяться очень быстро (например, температура внутри двигателя).

Понимание того, насколько быстро изменяется ваш сигнал (скорость изменения), поможет вашей команде выбрать датчики и преобразователи, которые могут не отставать от сигнала, который вы хотите измерить.

Какой диапазон сигнала вам нужно измерить?

Например, если вы измеряете комнатную температуру, то достаточно иметь датчики с диапазоном 0-40 градусов Цельсия. С другой стороны, если вы измеряете температуру внутри печи, вам могут потребоваться датчики с диапазоном в тысячи градусов Цельсия. Опять же, чем конкретнее вы можете быть, тем больше вы даете своей команде инженеров возможность принимать правильные решения.

2. Что такое датчики

Существуют сотни датчиков, что дает вам большую гибкость при выборе подходящего датчика для реальных сигналов, которые вы хотите измерять. Но как работают датчики?

Все аналоговые датчики вырабатывают электрический сигнал (напряжение или ток), который представляет собой вариации реального сигнала, который вы хотите измерить. Поскольку реальный сигнал меняется со временем, датчик вырабатывает электрический сигнал, который точно отображает эти изменения.

3. Что такое преобразование сигнала?

Каждый тип датчика выдает разный уровень выходного напряжения или тока. Зачастую выходной сигнал датчика несовместим с входным диапазоном, требуемым аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Или, может быть, оборудование вашего устройства установлено в месте с большим количеством электромагнитных помех, и вам нужен способ очистить этот сигнал перед его передачей на АЦП.

Формирование сигнала относится к процессу манипулирования выходным сигналом вашего датчика, чтобы он мог потребляться вашим АЦП. Наиболее распространенные формы преобразования сигналов:

• Смещение постоянного тока
• Усиление
• Затухание
• Фильтрация

Многие поставщики предлагают продукты для преобразования сигналов, которые вы можете добавить к оборудованию вашего устройства, чтобы сигнал, поступающий от ваших датчиков, был готов к обработке. Эти продукты варьируются от отдельных микросхем до полных аппаратных модулей для специализированных приложений. Вместе со своей командой инженеров определите лучший подход для вашего приложения.

4. Аналого-цифровое преобразование (АЦП)

Аппаратное обеспечение вашего устройства должно оцифровать сигнал, поступающий от ваших датчиков, прежде чем эти данные могут быть использованы компьютером. Этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием.

Аналого-цифровое преобразование - это очень глубокая тема, поэтому в этом посте я остановлюсь только на наиболее важных параметрах, которые необходимо знать менеджерам по продукту.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это аппаратное обеспечение (обычно микросхема), которое оцифровывает сигнал, постоянно отбирая отдельные выборки этого сигнала.

Ключевые параметры, которые следует учитывать при аналого-цифровом преобразователе, - это частота дискретизации и разрешение.

Частота дискретизации

Частота дискретизации - это частота дискретизации аналогового сигнала АЦП. Чтобы точно воспроизвести частотную составляющую аналогового сигнала, АЦП должен выполнять выборку как минимум в два раза быстрее, чем самая высокая частота сигнала. Это основано на частоте Найквиста.

Если вы хотите воспроизвести не только частотную составляющую, но также форму и амплитуду сигнала во временной области, то АЦП должен выполнять выборку с гораздо более высокой частотой. Практическое инженерное правило состоит в том, чтобы дискретизировать в 10 раз частоту этого исходного сигнала. Это означает, что если ваш сигнал имеет частоту 100 Гц (100 циклов в секунду), то ваш преобразователь должен выполнять выборку с частотой 1000 Гц.

На изображениях ниже показан результат медленной и быстрой дискретизации аналогового сигнала.

Разрешение

Разрешение означает, насколько точным вы хотите добиться своей точности. Разрешение определяется количеством битов, которые АЦП использует для представления каждой выборки. Так, например, у вас может быть 2-битный АЦП, 4-битный, 8-битный, 24-битный и т. Д. 2-битный АЦП может регистрировать 4 значения (2 ^ 2 =4). 4-битный АЦП может измерять 16 значений (2 ^ 4 =16) и так далее. Чем больше битов на выборку, тем выше будет разрешение вашего измерения.

Давайте посмотрим на пример. Допустим, у вас есть термопара (датчик температуры), которая может измерять изменения температуры от 0 до 96 градусов Цельсия. Если вы используете 4-битный АЦП, у вас есть 16 возможных значений (2 ^ 4 =16) для представления полного диапазона датчика. 0 на выходе АЦП соответствует 0 градусам, а 15 - 96 градусам.

Если разделить диапазон измерения на количество значений АЦП, получится минимальный размер шага, который можно измерить. В данном случае размер шага равен 6 (96/16 =6). Это означает, что наименьшее изменение температуры, которое вы можете зарегистрировать с помощью этого АЦП, составляет 6 градусов.

Теперь представьте тот же пример с использованием 8-битного АЦП. Если мы разделим полный диапазон датчика (96 градусов Цельсия) на разрешение АЦП 256 (2 ^ 8 =256), результат будет 0,375 (96/256 =0,375), что означает, что с 8-битным АЦП вы:уметь различать изменения температуры всего на 0,375 градуса!

Ключевым выводом с точки зрения PM является то, что сочетание частоты дискретизации и разрешения определяет, сколько данных выдает ваше устройство. Например, если у вас 24-битный АЦП и вы производите выборку на частоте 200 кГц (да, 200 000 выборок в секунду), то вы будете производить 600 КБ данных в секунду только на этом одном датчике. Это данные, которые вам нужно будет обработать на периферии, возможно, передать в облако, сохранить, сделать резервную копию и т. Д.

Теперь, когда вы знаете, как выполнять эти расчеты, вы можете оценить, сколько необработанных данных будет производить ваш продукт в день / месяц / год. Имейте в виду, что машины могут производить тонны данных практически мгновенно. Помните об этих расчетах, чтобы понимать, как они влияют на другие области стека технологий Интернета вещей и другие области принятия решений, такие как бизнес и безопасность.

5. Интерпретация

Теперь, когда у вас есть оцифрованный сигнал, вам нужно применить некоторое преобразование, чтобы разобраться в этих данных. Помните, что выходной сигнал датчика - это просто число, которое коррелирует с изменениями физических явлений, которые они измеряют.

Возвращаясь к примеру с температурой, термопара не возвращает значения в градусах Цельсия или Фаренгейта. Он просто возвращает число, которое нужно преобразовать в единицы, понятные людям. Этот процесс называется интерпретацией.

Имейте в виду, что каждый датчик отличается. Производитель датчика предоставит вам формулу для преобразования необработанного значения в пригодные для использования единицы.

В процессе интерпретации к измерениям сенсора также часто добавляются метаданные. Некоторые метаданные могут включать:

• Отметка времени (добавляется к каждому образцу АЦП для создания временного ряда)
• Идентификатор датчика
• Идентификатор местоположения
• Идентификатор устройства
• И т. д.

Итог

Сбор данных - ключевой компонент каждого продукта Интернета вещей. Это глубокая и сложная дисциплина, и вам не нужно быть экспертом. Ваша цель как PM - понять, как работает технология и как элементы сочетаются друг с другом, чтобы вы могли продуктивно общаться с инженерами.

Вы должны сосредотачиваться не на самом процессе сбора данных, а на элементах вашей стратегии обработки данных, в том числе на том, сколько данных вы будете производить, сколько вы передаете и, что более важно, как вы принесете пользу своему клиенту с помощью этого данные.