Los kits de desarrollo y módulos802.11x pueden ayudar a simplificar los esfuerzos de diseño inalámbrico de IoT.

Los diseñadores de Internet de las cosas (IoT) están utilizando productos de conectividad inalámbrica basada en Wi-Fi porque es ampliamente implementada y bien entendida. Sin embargo, la RF de cualquier tipo es compleja y requiere pruebas de cumplimiento regulatorio. Sin los conocimientos adecuados se puede retardar el desarrollo, especialmente si un diseñador opta por el diseño de la sección de RF desde cero.

Una forma de acelerar el proceso de diseño es optar por uno de los muchos módulos precertificados disponibles. A tal fin, en este artículo se analizan las ventajas de la tecnología Wi-Fi para aplicaciones inalámbricas antes de explicar cómo diseñar un producto mediante un módulo asociado y herramientas de diseño.

¿Por qué Wi-Fi?

Wi-Fi es una de las más populares tecnologías de RF de corto alcance para la comunicación inalámbrica que hace uso de la asignación de espectro libre de licencia (ISM) de 2,4 GHz industrial, científica y médica. La tecnología se basa en la especificación IEEE 802.11 y viene en varias versiones con diferentes rendimientos y diversos métodos de codificación digital.

En comparación con tecnologías como Bluetooth de baja energía (Bluetooth LE) y Zigbee, requiere bastante energía, es costosa y exige considerables recursos de procesador. Sin embargo, también es increíblemente rápida. Desde la versión 802.11b más humilde con una velocidad de transferencia de datos de 11 Mbits/s a la impresionante versión de 600 Mbits/s de variante n de estándar abierto, ninguna otra tecnología de 2,4 GHz se le aproxima. (Ver artículo de DigiKey, "Comparación de tecnologías inalámbricas de bajo consumo de energía.").

¿Qué Wi-Fi elegir?

Un elemento común entre las variantes de Wi-Fi es que todas las especificaciones de funcionamiento de Wi-Fi son dictadas por Wi-Fi Alliance, los custodios de la marca Wi-Fi y sus especificaciones. La alianza determina las estructuras de datos, las técnicas de cifrado, las frecuencias, configuraciones de paquetes, y subprotocolos utilizados por Wi-Fi en redes de área local (LAN).

Lo más crucial, Wi-Fi también puede tomar ventaja de la asignación de espectro de 5 GHz, además de aumentar el rendimiento y reducir las posibles interferencias quitando la comunicación de la concurrida banda de 2,4 GHz. La desventaja es que una reducción en el alcance y la penetración de obstáculos más reducida. (Ver artículo de DigiKey "Comparación de LAN inalámbrica de 2,4 GHz y 5 GHz en aplicaciones industriales.").

Hay varios protocolos Wi-Fi: IEEE 802.11b/g que opera en la banda de 2,4 GHz, IEEE 802.11a/ac y están diseñados para el funcionamiento de banda de 5 GHz, mientras que las radios IEEE 802.11n pueden funcionar en ambas bandas.

IEEE 802.11b fue aprobado en 1999 y ofrece velocidades de transferencia de datos de 5,5 y 11 Mbits/s. Ahora prácticamente se encuentra sólo en sistemas heredados. Sin embargo, el soporte para b está integrado en las radios n contemporáneas, de modo que los sistemas modernos pueden funcionar con sistemas heredados.

IEEE 802.11g se adoptó en 2003 y utiliza una técnica de modulación diferente que el protocolo original para lograr velocidades de datos de hasta 54 Mbits/s. En aplicaciones prácticas, la velocidad de datos utilizable a menudo se reduce a la mitad debido a los algoritmos de corrección de errores de reenvío. G es compatible en reversa con b.

IEEE 802.11n se adoptó en 2009 e introdujo la tecnología de antena de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) para la codificación simultánea de varias "secuencias espaciales", incrementando la velocidad de datos hasta 216 Mbits/s (suponiendo un ancho de canal de 20 MHz y un transmisor que utiliza tres flujos espaciales). 802.11n también especifica un canal de 40 MHz, más amplio, formado por el acoplamiento de dos canales de 20 MHz, lo que aumenta el rendimiento a 450 Mbits/s. Los dispositivos que admiten tres flujos espaciales están limitados a las computadoras portátiles de gama alta, tabletas y puntos de acceso (AP). Dos dispositivos de flujo espacial son más abundantes, pero todavía están limitados a las computadoras portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes de última generación.

IEEE 802.11a es idéntica en la mayoría de los respectos a g, excepto que opera en la banda de 5 GHz. La velocidad de datos máxima es la misma, 54 Mbits/s. En la actualidad 802.11a es considerado generalmente como un protocolo de legado.

IEEE 802.11ac fue adoptado en 2013 y ofrece ocho secuencias especiales de canal y anchos de hasta 160 MHz para impulsar el rendimiento. Los productos comerciales apenas están llegando al mercado, siguen siendo caros, y al menos en primera instancia, es probable que la tecnología sea utilizada solamente por los productos de consumo de alta gama.

La asignación de la banda de 2,4 GHz permite entre 11 canales de 20 MHz (en los EE.UU.), 13 (en la mayoría del resto del mundo) y 14 (en Japón). Los 83 MHz de ancho de banda alojan solo tres canales Wi-Fi no superpuestos (1, 6 y 11) (Figura 1).

Figura 1: Las asignaciones de canales Wi-Fi en la banda ISM de 2,4 GHz permiten tres canales de 20 MHz (uno, seis y once) sin solapamiento. (Fuente de la imagen: Cisco)

Para evitar los enfrentamientos que podrían resultar de las WLAN adyacentes que utilizan cualquiera de los canales 11 a 14, los fabricantes suelen diseñar su equipo para comunicarse sólo en los que no se solapan. Por ejemplo, una radio Wi-Fi que experimenta una interferencia excesiva en el canal 1 se puede conectar a los canales 6 y 11, en un esfuerzo por encontrar un entorno libre de interferencias.

Para ayudar a compartir el espectro, Wi-Fi no incluye mecanismos de contención que racionan bastante el ancho de banda entre los puntos de acceso (AP) utilizando el mismo canal. Un AP funcionando en un canal congestionado experimenta una emisión limitada, afectando el tiempo en el que puede recibir o enviar datos.

Wi-Fi para IoT

Es importante señalar que el Wi-Fi, basado en la especificación IEEE 802.11, sólo define las capas física (PHY) y capas de enlace de datos de un protocolo de comunicación. Las capas de enlace de datos comprenden el control de acceso al medio (MAC) y el control de enlace lógico (LLC). Sin embargo, es tal la ubicuidad del Wi-Fi para la conexión a Internet que su capa de enlace de datos y de PHY suelen estar integradas en una completa pila de protocolo TCP/IP. Esta pila de protocolo garantiza la interoperabilidad de Internet y es normalmente (pero no siempre) el software suministrado por el proveedor de soluciones de conectividad Wi-Fi. El resto de este artículo analizará las soluciones Wi-Fi con pilas TCP/IP (Figura 2).

Figura 2: Wi-Fi define las capas física y de enlace de datos de la pila. Normalmente, el firmware suministrado por los proveedores que integra estas capas con una pila TCP/IP ofrece interoperabilidad de Internet. (Fuente de la imagen: Centro Internacional de Física Teórica)

Si bien Wi-Fi ha marcado un camino sólido como la tecnología clave para conectar los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y PC a Internet, se está diversificando rápidamente para convertirse en una tecnología fundamental para IoT.

En los lugares donde la interoperabilidad de Internet y el rendimiento son más importantes que el consumo de energía, los dispositivos IoT alimentados por Wi-Fi ofrecen una solución convincente al problema de la retransmisión de información directamente desde los sensores inalámbricos a Internet. Los sensores IoT de Wi-Fi se conectan directamente a Internet sin necesidad de recurrir a las complicaciones tales como capas de red adicionales como IPv& sobre las redes de área personal inalámbricas de baja potencia (6LoWPAN).

Wi-Fi es una buena opción para "puertas” rentables, donde las unidades basadas en multiprotocolo LE/Bluetooth/wifi zigbee system-on-chip (SoC) agregan datos desde múltiples sensores inalámbricos de baja potencia y reenvían esta información a la nube.

Tenga en cuenta que un estilo de consumo de energía bajo de Wi-Fi está emergiendo. Esta tecnología basada en el estándar IEEE 802.11ah y apodada "HaLow", ofrece consumo de energía que está minimizado mediante el aprovechamiento del ciclo de trabajo ultrabajo utilizado por otras tecnologías inalámbricas de baja potencia. Se espera que el consumo de energía sea de alrededor del 1% del que consumen los chips Wi-Fi convencionales. HaLow opera en la banda ISM a 900 MHz lo cual refuerza su gama hasta casi el doble del Wi-Fi de la actualidad. El compromiso es el rendimiento, que se dice puede ser comparable con la máxima velocidad de transferencia de datos de 2 Mbits/s de Bluetooth LE.

Acelerar los diseños basados en Wi-Fi

Diseñar una solución IoT Wi-Fi desde cero reduce los costos y proporciona una oportunidad para optimizar el rendimiento del producto inalámbrico. Pero el diseñador necesita considerables conocimientos de hardware de RF a frecuencias de gigahercios, familiaridad con los protocolos TCP/IP, junto con la tenacidad para embarcarse en un interminable proceso de prueba y verificación de la especificación del estándar para la certificación de conformidad.

Alguna ayuda proviene de los proveedores de semiconductores que proporcionan diseños de referencia que pueden ser utilizados como una base para acelerar el proceso de desarrollo. Sin embargo, tales esquemas pueden ser considerados como un punto de partida; las leves variaciones en impedancias magnéticas, sustratos, pistas y las impedancias del circuito pueden tener un efecto significativo sobre el rendimiento, y suelen implicar varias iteraciones de diseño para conseguir que las cosas funcionan correctamente.

Una ruta mucho más rápida a un diseño satisfactorio es seleccionar un módulo montado, probado y verificado, con certificado de cumplimiento. Estos productos pueden ser incorporados rápidamente a una solución IoT Wi-Fi, para acelerar el tiempo de salida al mercado.

Los módulos IEEE 802.11 de aplicación IoT de todas las variantes junto con las herramientas de desarrollo asociadas están disponibles en numerosos proveedores de dispositivos de silicio. Un módulo básico suele integrar una Procesador de banda base WLAN y un soporte de transceptor de RF, amplificador de potencia (PA), relojes, conmutadores de RF, filtros, componentes pasivos y administración de energía.

Ya que una pila TCP/IP basada en Wi-Fi es una compleja pieza de firmware para supervisar, requiere los recursos de un microprocesador capaz de soportar un alto nivel de sistema operativo (SO) como Linux o Android. Los controladores comunes para los Sistemas Operativos que administran pilas Wi-Fi están disponibles en los proveedores de hardware, mientras que los controladores adicionales, tales como los necesarios para WinCE y una gama de sistemas operativos en tiempo real, son apoyados a través de terceros.

A menudo el diseñador debe seleccionar un microprocesador adecuado, junto con componentes pasivos para formar circuitos coincidentes, y antenas de 2,4 y/o 5 GHz. Sin embargo, algunas soluciones de módulos incluyen un procesador integrado, y otras comprenden una completa solución de trabajo.

Módulos Wi-Fi para cada situación

Un buen ejemplo de un módulo Wi-Fi rentable IoT diseñado para aplicaciones tales como terminales de punto de venta a distancia, cámaras de seguridad y sensores médicos es la marca Bluegiga WF111 de Silicon Labs. El dispositivo proporciona conectividad a Internet a través de Wi-Fi b, g o n. El producto ofrece un funcionamiento a 2,4 GHz, una velocidad de datos máxima de 72 Mbits/s, y un presupuesto de enlace de 114 dBm (17 dBm de potencia de salida del transmisor y -97 dBm de sensibilidad de receptor). Su tensión de alimentación es de 1,7 a 3,6 V con una corriente pico Tx de 192 mA y una corriente Rx pico de 88 mA.

La WF111 incluye una antena integrada (o un conector para una antena externa) y está diseñada para funcionar con un microprocesador de host externo. El dispositivo está controlado por el microprocesador del host mediante una interfaz de entrada y salida Secure Digital (SDIO) que opera en modo de 1 bit o 4 bits. La interfaz SDIO permite al microprocesador host acceder directamente a la funcionalidad IEEE 802.11.

Ya que el proveedor de silicio anticipa que la WF111 se utilizará en estrecha proximidad con sensores Bluetooth LE, se han incluido hasta seis líneas de control de hardware convenientemente para gestionar la coexistencia inalámbrica. Las líneas de control garantizan la conexión inalámbrica y los dispositivos Bluetooth se comunican para evitar la simultaneidad de las transferencias de paquetes que normalmente se produce cuando los dispositivos Wi-Fi y Bluetooth LE están en estrecha proximidad. Dichas transferencias suelen degradar el rendimiento del enlace (Figura 3).

Figura 3: La serie WF111 de Silicon Labs incluye seis líneas de control para asegurar que los dispositivos Bluetooth y Wi-Fi pueden coordinar las comunicaciones para mejorar la convivencia. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Texas Instruments(TI) ofrece la serie WL1801 que tiene una estrecha asociación con Bluetooth mediante la integración de IEEE 802.11 a/b/g/n y Bluetooth/transceptor Bluetooth LE en el mismo dispositivo. Dicho módulo es una solución ideal para los dispositivos de compuerta IoT descritos anteriormente debido a sus funciones de interoperabilidad con ambos protocolos Wi-Fi y Bluetooth.

El dispositivo ofrece funcionamiento Wi-Fi de 2,4 y 5 GHz, una velocidad de datos máxima de 54 Mbit/s, y un presupuesto de enlace de 115 dBm (18,5 dBm de potencia de salida del transmisor y -96.5 dBm de sensibilidad del receptor). El rango de tensión de alimentación es de 2,9 a 4,8 V con una corriente pico Tx de 420 mA y una corriente Rx pico de 85 mA. Los módulos cuentan con certificación FCC, IC, ETSI y Telec.

El WL1801 se suministra con pilas Bluetooth y Wi-Fi, pero debe estar asociado con un microprocesador adecuado, cristal de 32 kHz y antena(s) para formar una solución completa. TI sugiere un microprocesador de su familia Sitara -como el AM3351, un dispositivo con núcleo ARM^® Cortex^® A8- capaz de apoyar Linux, Android o Sistemas Operativos en tiempo real, además del controlador Wi-Fi y pila Bluetooth LE. El microprocesador impulsa el funcionamiento de la función Wi-Fi a través de una interfaz SDIO y Bluetooth a través de un UART (Figura 4).

Figura 4: WL1801 de TI deja la elección del microprocesador al diseñador, aunque la empresa recomienda un chip tal como Sitara basado en ARM Cortex A8. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Murata ofrece el módulo LBEE5ZZ1MD que lleva la integración un paso más allá mediante la inclusión de un procesador, completo con unpila de firmware Wi-Fi precargada. Aunque esto simplifica las cosas haciendo coincidir el procesador con la radio, la desventaja es que los desarrolladores están comprometidos con la elección del módulo del fabricante de procesador de hardware y, posiblemente, un entorno de desarrollo no familiar.

El módulo de Murata proporciona conectividad a Internet a través de Wi-Fi b, g o n. El dispositivo ofrece un funcionamiento a 2,4 GHz, una velocidad de datos máxima de 65 Mbits/s, y un presupuesto de enlace de 100 dBm (2 dBm de potencia de salida del transmisor y -98 dBm de sensibilidad de receptor). Opera desde una fuente de alimentación de 3,3 voltios con una corriente pico Tx de 300 mA y una corriente pico Rx de 45 mA.

El módulo se acopla con MAC banda base/radio de Wi-Fi con el microprocesador basado en ARM Cortex-M4 de STMicroelectronics serie STM32F412. El módulo incluye cristales, circuitos y circuitos en placa coincidentes y antenas de 2,4 GHz. Se puede agregar un cristal periférico de 32,786 kHz. El STM32F412 incluye procesador UART, SPI, I²C y otras interfaces (Figura 5).

Figura 5: El módulo Wi-Fi LBEE5ZZ1MD de Murata incorpora microprocesadores basados en ARM Cortex-M4 junto con cristales, los circuitos correspondientes y la antena. (Fuente de la imagen: Murata)

El módulo viene con una pila TCP/IP y un Sistema Operativo de Electric Imp para conexión al servicio de la nube de Electric Imp. Esto es útil para los diseñadores que no están ya familiarizados con un proveedor de servicios en nube de terceros y cómo cargar y acceder a los datos. Se ofrece desarrollo de orientación en el sitio web del centro de desarrollo Electric Imp.

NINA W132 de u-block es un ejemplo de cuán lejos puede una solución modular llevar a un diseñador. El dispositivo integra Wi-Fi y funcionalidad Bluetooth LE, un procesador host, gestión de energía,16 MB separados de memoria flash y un cristal de 40 MHz.

La conectividad a Internet es a través de Wi-Fi 802.11b, g o n. El dispositivo ofrece un funcionamiento a 2,4 GHz solamente, una velocidad de transferencia de datos máxima de 54 Mbit/s y un enlace presupuesto de 112 dBm (16 dBm de potencia de salida del transmisor y -96 dBm de sensibilidad de receptor). Opera desde una fuente de alimentación de 3,3 voltios con una corriente pico Tx de 320 mA y una corriente pico Rx de 140 mA.

La unidad viene precargada con el software de la aplicación. Los desarrolladores tienen que saber por adelantado que están comprometidos a utilizar el software de cajas de herramientas s-center de u-blox para la configuración (a través de comandos AT).

El módulo NINA-W132 proporciona seguridad de extremo a extremo de la protección mediante el enlace inalámbrico usando seguridad estándar y empresarial 802.11i (WPA2).

Tomar ventaja de los kits de desarrollo

Mientras que los módulos de hardware permiten ahorrar una considerable cantidad de esfuerzo y se suministran normalmente con una pila software Wi-Fi (TCP/IP) probada (y a menudo ejemplos de aplicación), la solución no siempre está optimizada para el desarrollador de la aplicación de destino. Tal optimización puede a menudo lograrse utilizando el kit de desarrollo del fabricante del módulo. Las herramientas de desarrollo a menudo adoptan la forma de placas de desarrollo montadas y probadas que aloja el módulo.

Las placas de desarrollo de los módulos que necesiten un microprocesador adjunto normalmente pueden ser conectadas a una plataforma de desarrollo basada en el microprocesador de destino. Los kits de desarrollo están diseñados para proporcionar una interfaz de programación de aplicaciones (API) con el procesador principal y a su vez con la pila de Wi-Fi, lo cual facilita la codificación de aplicaciones adicionales.

Por ejemplo, Silicon Labs ofrece el Kit de desarrollo WF111 para evaluar el módulo WF111 descrito anteriormente. El kit de desarrollo incluye una placa pc montada y probada con el módulo WF111. Su forma es estándar para encajar en una ranura de tarjeta SDIO. Una vez montado, se puede ejercitar y evaluar el módulo con las herramientas de evaluación del microprocesador de destino. Una adición útil es un cabezal que permita un fácil acceso a los buses de depuración del módulo de RF para propósitos de certificación.

Otro ejemplo es la placa de desarrollo WL1835 de TI. Es una placa pc completamente ensamblada y probada que está integrada por los módulos WL1801, los circuitos periféricos y la antena. Puede enchufarse a la placa de desarrollo TMDSICE3359 de Sitara, que incluye un procesador de Sitara adecuado para accionar el módulo WL1801. Tal configuración de desarrollo permite al desarrollador probar el rendimiento de una unidad de Wi-Fi en su aplicación de destino.

Conclusión

Wi-Fi tiene una posición única entre los protocolos inalámbricos de IoT porque es capaz de soportar altas velocidades de datos mientras ofrece interoperabilidad con Internet. Sin embargo, Wi-Fi, como cualquier tecnología de RF, es compleja para diseñar desde cero.

Para muchos diseñadores, sobre todo aquellos que se enfrentan a un corto ciclo de diseño, un módulo puede ser una mejor opción. Puede venir con un microprocesador incorporado o combinarse con sus microprocesador favorito y facilitará considerablemente y permitirá acelerar el diseño y el proceso de certificación.