El 5G está muy lejos: Use los módulos de 4G LTE listos para usar para la detección y el control de IoT remota

Por Steve Leibson

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los desarrolladores de aplicaciones de IoT, como la detección y el control remotos, se están viendo obligados a encontrar la solución óptima para comunicaciones ubicuas, de largo alcance, de baja potencia, de bajo costo e inalámbricas. Tres requisitos adicionales particularmente delicados incluyen alta confiabilidad, baja latencia e interferencia mínima. Mientras que el 5G promete cumplir con esos criterios, los diseñadores pueden usar ya mismo redes celulares de 4G LTE que estarán vigentes durante un tiempo.

Las aplicaciones de detección y control remotos incluyen monitoreo y seguimiento de activos globales, medición de servicios públicos, conectividad de máquinas industriales y mantenimiento predictivo en grandes plantas al aire libre. Este último caso incluye refinerías; plantas químicas y minas; infraestructura de ciudad inteligente; monitoreo médico en el hogar y portátil; y agricultura inteligente.

Si bien se ha hablado mucho del 5G mientras las redes se despliegan en diversas regiones lideradas por diversos proveedores, las comunicaciones celulares de 4G seguirán dominando en el futuro inmediato. Así pues, los desarrolladores deben ser pragmáticos a la hora de seleccionar las interfaces de RF de IoT. Esto va más allá de la selección del módulo de RF y se extiende a la consideración cuidadosa del ecosistema que se necesita para que la IoT celular sea práctica. Los elementos críticos del ecosistema incluyen las pilas de software, la infraestructura celular y hasta los planes de datos de los operadores y los sistemas de facturación necesarios para garantizar una cobertura celular integral para el uso de la IoT.

Este artículo brindará una mirada amplia de las aplicaciones de IoT celular y la tecnología integrada necesaria para desarrollar estas aplicaciones. Además, brindará un análisis detallado sobre el uso de la tecnología de hardware y software más reciente y los recursos disponibles que pueden ayudar a los ingenieros a desarrollar diseños de IoT celular para las diversas aplicaciones mencionadas anteriormente. También se incluirá información sobre planes de datos fáciles de conseguir.

¿Por qué no el 5G?

A pesar del gran progreso, la red 5G y los estándares del equipo aún no están completamente terminados. Incluso cuando se finalicen los estándares, llevará muchos años construir e implementar equipos y redes 5G estandarizados. Mientras tanto, las redes 4G LTE han estado en funcionamiento comercial desde el 2011 y pueden brindar el rendimiento y el rango que requieren la mayoría de las aplicaciones de IoT.

Según al menos una estimación, las redes 4G LTE representan alrededor del 40 % del mercado celular mundial actual, mientras que las antiguas redes 2G y 3G representan, cada una, alrededor del 30 % del mercado. Incluso en el 2025, no se espera que la penetración del 5G en el mercado sea superior a un 15 %. Teniendo esto en mente, los diseñadores de los sistemas de IoT que necesitan un largo alcance y baja potencia deberían aprovechar la infraestructura celular existente y cumplir con los estándares de 4G LTE y anteriores. Estos no solo están en funcionamiento en este momento, sino que incluso están evolucionando, como en el caso del 4G LTE, para cumplir con las necesidades de la IoT.

El LTE evoluciona para la IoT

La versión 13 del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) del estándar de LTE definió nuevas categorías de LTE para las aplicaciones de IoT: la Categoría M1 (Cat-M1), denominada anteriormente eMTC (comunicación de tipo máquina mejorada), y la Categoría NB1 (Cat-NB1), denominada anteriormente IoT de banda estrecha (NB-IoT). Estas nuevas categorías extienden el LTE para la IoT brindando soporte para una potencia más baja, un alcance más largo, una latencia más baja y un costo más bajo, así como interferencia mínima por el hecho de estar en bandas con licencia.

La Cat-M1 define un ancho de canal de 1.4 MHz y una tasa de producción de 375 kilobits por segundo (kbit/s) para el enlace ascendente y 300 kbit/s para el enlace descendente. La Cat-NB1 define un ancho de canal mucho más estrecho de 200 kilohercios (kHz) con una tasa de producción medida en decenas de kilobits por segundo. La latencia de la Cat-M1 es aproximadamente de 10 a 15 milisegundos, mientras que las latencias de la Cat-NB1 se miden en segundos y pueden ser de hasta 10 segundos en algunas situaciones de despliegue.

Este rendimiento es suficiente para muchas aplicaciones de detección de IoT, como los lectores de medidores, los monitores del estado de salud y las aplicaciones de actividad física altamente móviles que se pueden beneficiar del largo alcance y de la presencia ubicua de las comunicaciones celulares. En la actualidad, y para el futuro inmediato, ninguna otra tecnología inalámbrica de área amplia y baja potencia brinda la escalabilidad, seguridad y longevidad de las redes 4G LTE establecidas.

Conexión a la nube

Varios proveedores ya ofrecen módulos que operan como módems de datos celulares o que incorporan un módem de datos celulares en una plataforma de desarrollo integrada. Estos módulos conectan los dispositivos de IoT a la nube a través de las redes celulares 4G LTE (o incluso anteriores). Sin embargo, un módulo de hardware por sí solo no puede conectar un dispositivo de IoT a la nube. También se requieren un software adecuado y una conexión administrada a un proveedor celular. Sin esas tres cosas, no hay conectividad.

La elección entre módulos de IoT celulares con y sin procesadores de aplicaciones depende de si el diseño de hardware del proyecto comienza desde cero o si está agregando una conexión de IoT celular a un diseño integrado ya existente. Las siguientes son breves descripciones generales de algunos módulos de módem celulares 4G LTE y CI con y sin procesadores de aplicaciones integrados.

El módulo de Sierra Wireless AirPrime WP7702 de área amplia y baja potencia (LPWA) integra un subsistema de procesamiento de la aplicación y un módem de datos celulares en un pequeño paquete que mide 22 x 23 x 2.5 milímetros (mm). El módulo cumple con el estándar de la versión 13 del 3GPP y aplica los protocolos de la Cat-M1 y la Cat-NB1. Sus tasas de datos máximas para la Cat-M1 son 300 kbit/s para las descargas y 375 kbit/s para las cargas. Sus tasas de datos para la Cat-NB1 son 27 kbit/s para las descargas y 65 kbit/s para las cargas.

Imagen del módulo de RF AirPrime WP7702 de Sierra Wireless

Figura 1: El módulo de RF AirPrime WP7702 de Sierra Wireless incluye un procesador de aplicaciones y soporte para los protocolos celulares Cat-M1 y Cat-NB1. (Fuente de la imagen: Sierra Wireless).

Junto con sus módulos de RF AirPrime, Sierra Wireless brinda el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) de Developer Studio. Construido sobre la base del IDE de Eclipse Java, les permite a los desarrolladores crear aplicaciones utilizando el marco de la aplicación de Legato de código abierto con una interfaz gráfica de usuario (GUI) intuitiva que se ejecuta en hosts de Windows, Linux y MacOS. La herramienta incluye servicios y funciones que son útiles durante las diversas fases del ciclo de diseño para apoyar el desarrollo del software de la aplicación para las aplicaciones de datos inalámbricos.

Legato combina una distribución de sistema operativo basada en Linux (que se ejecuta en el procesador integrado del módulo WP7702 de 1.3 gigahercios [GHz] Arm® Cortex®-A7), un paquete de soporte de placa (BSP) y herramientas de desarrollo personalizadas que se ejecutan en una PC host. Sierra Wireless también ofrece la Plataforma AirVantage IoT, un portal de autoservicio que brinda conectividad y manejo de dispositivos para una flota de módems celulares de Sierra Wireless que están conectados a varios operadores celulares diferentes en todo el mundo. Entre ellos se incluyen AT&T, Verizon, NTT, Telstra, KT y SKT. AirVantage también automatiza las actualizaciones de firmware para los módems de Sierra Wireless a través de la conexión inalámbrica.

Talon Communications, Inc. colocó el módulo WP7702 de Sierra Wireless en una tarjeta portadora que también sirve como plataforma de desarrollo. Juntos, el módulo WP7702 y la tarjeta portadora integran la placa de evaluación mangOH Red™, que tiene un enchufe incorporado para una tarjeta Micro SIM celular (necesaria para obtener el servicio del operador). La plataforma mangOH Red abre muchos de las clavijas de la interfaz del módulo WP7702 a los conectores, incluidos tres conectores de antena, dos conectores micro USB, un puerto de host USB de tamaño completo, una cabecera de clavija con clavijas de E/S I2C, SPI, UART y GPIO, y un jack de salida de audio estéreo de 3.5 mm.

Imagen de la placa de desarrollo mangOH Red de Talon Communications

Figura 2: La placa de desarrollo mangOH Red soporta el desarrollo de aplicaciones para el módulo de RF WP7702 de Sierra Wireless. (Fuente de la imagen: Talon Communications).

El puerto de host USB de mangOH Red conecta la plataforma de desarrollo a una computadora host para desarrollar el software. Cargar el controlador de Windows adecuado e instalar Legato Developer Studio de Sierra Wireless completan la configuración para el desarrollo de aplicaciones de IoT utilizando el módulo WP7702.

SARA-R410M-02B de u-blox es un módulo de transceptor de RF ultracompacto LTE de Cat-M1 y Cat-NB1 que mide 16 x 26 x 2.5 mm y viene en un paquete LGA de 96 clavijas.

Este módulo de transceptor se conecta a un procesador host mediante la interfaz de Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) o USB y está controlado por el procesador host utilizando un conjunto de comandos AT orientados a una cadena de caracteres definido por el 3GPP. El SARA-R410M-02B también tiene una interfaz de tarjeta SIM para la identificación del servicio del operador.

Imagen del módulo de transceptor de RF SARA-R410M-02B de u-blox

Figura 3: El módulo de transceptor de RF SARA-R410M-02B de u-blox implementa una radio y una banda base completa de Cat-M1 y Cat-NB1 que se pueden conectar a un procesador host. (Fuente de la imagen: u-blox).

El kit de evaluación de EVK-R4 de u-blox incorpora y abre las clavijas de E/S del módulo SARA-R410M de u-blox. Brinda conectores adecuados para conectar el módulo a antenas, energía y un procesador host. También tiene una ranura para tarjeta SIM incorporada y acepta una tarjeta dependiente de Sistema global de navegación por satélite (GNSS). Los dispositivos del GNSS generalmente están vinculados con radios celulares para aplicaciones de seguimiento. (Para obtener más información sobre los módulos y dispositivos que tienen GNSS, consulte "Diseñe sistemas de seguimiento de la ubicación rápidamente utilizando módulos GNSS" y "Agregue adquisición rápida y alta precisión a las aplicaciones de seguimiento utilizando los rentables módulos GNSS").

Diagrama del kit de desarrollo EVK-R4 de u-blox

Figura 4: El kit de desarrollo EVK-R4 de u-blox abre las clavijas de E/S del módulo SARA-R410M de u-blox para facilitar el desarrollo. (Fuente de la imagen: u-blox).

Hologram, Inc. tomó el módulo SARA-R410M de u-blox y lo montó sobre una pequeña placa USB para crear el HOL-NOVA-R410. Esta solución brinda una manera fácil de agregar las capacidades del transceptor de RF de Cat-M1 y Cat-NB1 LTE a productos existentes con puertos USB.

Imagen del módem de RF celular SARA-R410M de u-blox

Figura 5: NOVA-R410 de Hologram Inc coloca un módem de RF celular SARA-R410M de u-blox sobre un pequeño portador USB para simplificar la adición de comunicaciones de RF de IoT a larga distancia a los sistemas que cuentan con USB. (Fuente de la imagen: u-blox).

El sistema en paquete (SiP) de Nordic Semiconductor nRF9160 incorpora un microcontrolador de aplicaciones, un módem LTE completo, un front end transceptor y administración de energía en un paquete que mide 10 x 16 x 1 mm. El módulo incluye el soporte de GPS para el seguimiento de activos. Combinar los datos de ubicación obtenidos de la red celular con la trilateración de satélite de GPS permite el monitoreo remoto de la posición del dispositivo.

El procesador de aplicaciones de nRF9160 es un Arm Cortex-M33 que se ejecuta a 64 megahercios y se combina con 256 kilobytes (Kbytes) de RAM estática y 1 megabyte (Mbyte) de memoria Flash. El módem 4G LTE del módulo implementa la versión 13 del 3GPP de la Cat-M1 y Cat-NB1, y los protocolos de la Cat-NB1 y Cat-NB2 de la versión 14.

El kit de desarrollo nRF9160-DK de Nordic Semiconductor para el módulo nRF9160 incluye un módulo nRF9160 montado sobre una placa portadora.

Imagen del kit de desarrollo nRF9160-DK de Nordic Semiconductor

Figura 6: El kit de desarrollo nRF9160-DK de Nordic Semiconductor abre todas las clavijas de un módulo celular nRF9160 para el trabajo de desarrollo y viene con un amplio soporte de software. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor).

El kit de desarrollo de software (SDK) incluye lo siguiente:

  • El sistema operativo incorporado en tiempo real (RTOS) escalable de Zephyr Project para el nRF9160
  • El gestor de arranque seguro MCUboot
  • Las bibliotecas independientes del RTOS de nrfxlib

Un diagrama de bloques del kit de desarrollo nRF9160-DK muestra los componentes de soporte que podría requerir un nRF9160.

Diagrama de bloques del kit de desarrollo nRF9160-DK de Nordic Semiconductor

Figura 7: El diagrama de bloques del kit de desarrollo nRF9160-DK de Nordic Semiconductor muestra los componentes de soporte que podría requerir un sistema en paquete (SiP) de IoT celular nRF9160. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor).

Nordic recomienda utilizar el IDE Embedded Studio de Segger Microcontroller Systems para crear aplicaciones nRF9160. Hay una versión especializada del Embedded Studio de Segger disponible sin cargo para utilizar con los dispositivos de Nordic Semiconductor, incluido el SiP nRF9160.

Algunas palabras sobre los planes de datos

Antes de implementar un dispositivo en la red de un operador, primero debe atravesar un proceso de calificación para asegurarse de que cumpla con los requisitos del operador con respecto a las bandas y a la interferencia. Antes de atravesar ese proceso, el desarrollador debe elegir un plan de datos adecuado y calcular el costo de ese plan de datos a largo plazo. Para ayudarlo a hacer esto, aquí se proporciona una lista de planes de datos celulares de IoT disponibles como recurso útil.

Conclusión

El panorama de IoT celular cambia rápidamente, en especial con la llegada y la introducción inminente de las tecnologías celulares de 5G. Hay módulos de RF para aplicaciones de IoT celulares disponibles, pero requieren el soporte de un ecosistema para que la IoT celular sea práctica. Este ecosistema incluye herramientas, pilas y bibliotecas de desarrollo de software necesarias para convertir las soluciones de módulo y silicio en un producto implementable. Hasta el momento en que el 5G esté ampliamente disponible, los módulos que se basan en LTE 4G serán una solución viable para la detección y el control de IoT remota durante muchos años.

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Acerca de este autor

Steve Leibson

Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.

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