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Utilice SoC inalámbricos de múltiples bandas y protocolos para simplificar la implementación de las redes de IIoT

Por Barry Manz

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Como resultado de la innovación constante, existen múltiples opciones inalámbricas incompatibles para aplicaciones del Internet de las cosas (IoT). Si bien siempre es bueno tener opciones, esto también complica el despliegue de las redes inalámbricas, especialmente en el caso de las instalaciones heredadas del IIoT, donde es posible que ya existan muchas redes inalámbricas desplegadas y ahora es necesario agregar cientos o miles de sensores en múltiples instalaciones.

Para abordar este problema, los fabricantes de transceptores de IoT han desarrollado soluciones de SoC de bajo costo y baja potencia que admiten varios protocolos a través de múltiples bandas de RF, todo en un solo dispositivo.

En este artículo, se analizan brevemente los desafíos de diseño presentados por el uso generalizado de múltiples estándares y especificaciones de las comunicaciones inalámbricas de corto alcance. Luego, se presentan los SoC de NXP, Texas Instruments, Silicon Labsy Analog Devices, que les brindan flexibilidad a los diseñadores para acomodar múltiples interfaces de RF y para explorar sus capacidades y los protocolos inalámbricos que admiten.

El desafío de las opciones inalámbricas

Hace solo unos años, había muy pocos transceptores IoT o microcontroladores SoC que admitían más de un protocolo inalámbrico, por lo que los fabricantes de dispositivos periféricos eligieron uno y lo usaron en todas sus líneas de productos. Por ejemplo, en la automatización de viviendas, la primera aplicación de IoT visible, un fabricante de productos de iluminación "inteligente" podría haber usado Zigbee, otro Z-Wave y otro Wi-Fi, lo que hace que una tecnología nueva que ya es compleja sea aún más confusa para los consumidores.

En la actualidad, el mercado de IIoT enfrenta los mismos desafíos, pero a una escala mucho mayor. A diferencia de las viviendas, que son áreas geográficamente bien definidas, los grandes fabricantes pueden tener instalaciones en todo el mundo con la necesidad de admitir una amplia variedad de equipos y requisitos reglamentarios. La aparición de transceptores de múltiples bandas y protocolos y de microcontroladores SoC les facilita esto tanto a los ingenieros que implementan dichos dispositivos como a los arquitectos de sistemas y redes. Dado que estos SoC se emplean cada vez más en los dispositivos periféricos, se está volviendo posible configurar una red mediante el uso de varios protocolos inalámbricos en el periférico, utilizando los SoC de un único proveedor.

Características típicas de los SoC para IoT

Un SoC típico para IoT incluye una banda base y una sección de RF basada en la interfaz inalámbrica de capa física (PHY) IEEE 802.15.4 para redes de área personal inalámbricas de baja velocidad (LR-WPAN), un procesador host y un coprocesador Arm, cierto grado de encriptación, como el AES-128, y un generador de números aleatorios reales (TRNG). También se incluyen los circuitos de administración de energía y sensores, múltiples relojes y temporizadores, y varias opciones de entrada y salida (Figura 1). Como Zigbee se ha convertido en un protocolo muy popular para las aplicaciones industriales, es compatible casi universalmente con estos dispositivos, junto con los protocolos similares de baja velocidad de datos, como Thread.

Diagrama de bloques de los SoC SimpleLink, serie CC26xx de Texas InstrumentsFigura 1: La serie CC26xx de Texas Instruments de los SoC SimpleLink, como se muestra en este diagrama de bloques, es representativa de los SoC inalámbricos para IoT. El procesador host es un Arm Cortex-M3, compatible con un coprocesador Arm Cortex-M0. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

También se incluye Bluetooth de bajo consumo (versión 4) en esta instancia, y cada vez más Bluetooth 5 (versión 5.1). En la versión 5.1, se adoptó la red de malla, lo que convirtió a Bluetooth en otro competidor para el IoT a gran escala. Sin embargo, no todos los SoC admiten esta versión, por lo que es importante determinar si un dispositivo candidato para el IIoT admite la versión 5.1.

Algunos dispositivos también admiten el IPv6 a través de redes de área personal inalámbricas de baja potencia (6LoWPAN), un estándar abierto definido por el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) basado en el 802.15.4 PHY. 6LoWPAN incorpora la compresión de cabecera IP (IPHC) requerida para implementar el IPv6, TCP/UDP estándar en capas en las capas 802.15.4 PHY y el control de acceso a medios (MAC); además, opera a frecuencias de 900 megahercios (MHz) (o inferiores) y 2.45 gigahercios (GHz).

El enlace ascendente a Internet se maneja a través de un enrutador de borde IPv6, al que también se conectan múltiples PC y servidores (Figura 2). La misma red 6LoWPAN está conectada al enrutador de red IPv6 mediante su propio enrutador de borde.

Diagrama de la red IPv6 con una red de malla 6LoWPANFigura 2: Una red IPv6 con una red de malla 6LoWPAN. Al enlace ascendente a Internet lo maneja un punto de acceso que actúa como un enrutador IPv6, conectado a un enrutador de borde IPv6, al que también se pueden conectar múltiples PC y servidores. La red 6LoWPAN está conectada a la red IPv6 mediante un enrutador de borde. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Una de las características que diferencian a la red 6LoWPAN es su capacidad de proporcionar una entrega de paquetes de extremo a extremo en cualquier lugar utilizando protocolos de Internet estándar, lo que les permite a los diseñadores utilizar los protocolos de mensajería de alto nivel, como MQTT, CoAP y HTTP con todas las aplicaciones.

Al igual que los otros protocolos mencionados en este artículo, también puede ejecutarse en radios con frecuencias "inferiores a 1 GHz" y 2.4 GHz, por lo que tiene buenas características de propagación. Por ejemplo, las demostraciones de 6LoWPAN han cubierto distancias de hasta cuatro millas a 900 MHz utilizando un transceptor con una potencia de salida de RF de +12 dBm. Las frecuencias más bajas son particularmente útiles en interiores, ya que pueden penetrar mejor las paredes. Con una configuración apropiada y con un puente adecuado, 6LoWPAN es interoperable con cualquier otra red IP, como Ethernet, Wi-Fi o incluso redes de datos celulares.

Protocolos esenciales

Por el momento, ningún SoC admite todos los protocolos inalámbricos utilizados en el IoT. Esto carece de importancia, en particular, para los diseñadores de redes IIoT, ya que algunos de los protocolos, como Thread y Z-Wave, se están adoptando principalmente en el mercado de consumo. Esto reduce los competidores a Zigbee, que es, sin dudas, el protocolo más popular para IIoT, junto con 6LoWPAN y Bluetooth. Dicho esto, cualquier SoC que admita el estándar 802.15.4 debería poder funcionar con Zigbee, LPWAN, Thread y posiblemente con soluciones patentadas si dichas soluciones pueden operar en las mismas bandas.

Por lo general, el Wi-Fi no se incluye entre los SoC multiprotocolo para aplicaciones de dispositivos periféricos de baja potencia alimentados por una batería pequeña debido a su consumo de energía relativamente alto. Su uso principal en el IoT ha sido para el backhaul y el acceso de puerta de enlace a Internet, donde el consumo de energía no es una métrica crucial. Sin embargo, el Wi-Fi es esencial cuando las ciudades actualizan la iluminación, la vigilancia y otros tipos de infraestructura debido a sus altas velocidades de datos y su casi ubicuidad.

Para estas aplicaciones, los SoC con Wi-Fi han estado disponibles durante varios años y su uso está en aumento, ya que la tecnología es una parte esencial de tantas aplicaciones de IoT en las que son esenciales las velocidades de datos muy altas. Uno de estos SoC solo con Wi-Fi es el procesador de red Wi-Fi CC3100R11MRGCR de Texas Instruments, que presenta un radio de Wi-Fi de 2.4 GHz y un procesador de red con servidor web en chip y pila TCP/IP. Cuando se combina con un microcontrolador de TI o de cualquier fabricante, forma una solución de Wi-Fi completa en dos dispositivos pequeños.

Dicho esto, hay varios SoC disponibles que combinan Wi-Fi y Bluetooth, ya que ambos protocolos son muy populares y complementarios. Por ejemplo, el WL1831MODGBMOCR de Texas Instruments en la familia de módulos combinados Wi-Fi/Bluetooth WiLink 8 de la empresa es compatible con Bluetooth y Bluetooth de bajo consumo. Para Wi-Fi, incluye IEEE 802.11b/g/n a una velocidad máxima de datos de 100 megabits por segundo (Mbits/s) junto con Wi-Fi Direct. Su capacidad MIMO 2 x 2 proporciona 1.4 veces el alcance de un dispositivo que utiliza una sola antena, y en modo Wi-Fi consume menos de 800 microamperios (µA). Las características de Bluetooth incluyen una conexión segura Bluetooth 4.2, una interfaz de controlador de host para Bluetooth sobre UART y un procesador de audio que admite un códec de subbanda para el Perfil de Distribución de Audio Avanzado (A2DP) de Bluetooth.

Dentro de su paquete de 13.3 × 13.4 × 2 milímetros (mm), se encuentran los amplificadores e interruptores de potencia de RF, los filtros y otros componentes pasivos, así como la administración de energía y otros recursos, como una interfaz de host SDIO de 4 bits.

El SoC multiprotocolo Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D de Silicon Labs adopta un enfoque interesante al combinar un microcontrolador con un transceptor que funciona a frecuencias clave de entre 169 MHz y 2.450 GHz. Esto lo hace compatible con Bluetooth de bajo consumo y Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread e incluso con 802.15 g, una variante del estándar diseñada para aplicaciones de servicios muy grandes en redes de suministros inteligentes que pueden tener millones de puntos finales fijos en un área muy dispersa.

Algunos dispositivos de la familia Mighty Gecko admiten redes que funcionan por debajo de 1 GHz, lo que permite la adaptación para aplicaciones específicas y, por lo tanto, admiten una variedad de esquemas de modulación, como OOK, FSK conformado, OQPSK conformado y modulación DSSS.

La plataforma SimpleLink de Texas Instruments incluye el hardware compatible con Bluetooth de bajo consumo y soluciones 5.1, Thread, Wi-Fi, Zigbee e "inferiores a 1 GHz", como 6LoWPAN, así como estándares cableados, como Ethernet, CAN y USB. Se admiten dos o tres protocolos inalámbricos en un dispositivo, según el modelo. Todos los modelos de la familia se admiten en un único entorno de desarrollo de software.

Por ejemplo, el MCU inalámbrico multiestándar CC2650F128RHBR SimpleLink incluye la compatibilidad con Bluetooth, Zigbee y 6LoWPAN, así como con aplicaciones de control remoto, como Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE). El último protocolo es una mejora del IEEE 802.15.4 y cuenta con capas de redes y aplicaciones para crear soluciones interoperables de múltiples proveedores. El CC2650 utiliza un Arm Cortex-M3 de 32 bits como procesador host que se ajusta a un controlador de sensor de potencia que actúa de forma autónoma, incluso cuando el sistema general está en modo de suspensión. El controlador Bluetooth y el MAC 802.15.4 usan un procesador Arm Cortex-M0 separado, y así liberan memoria para admitir aplicaciones.

El SoC MKW40Z160VHT4 de NXP Semiconductors admite Bluetooth de bajo consumo y 802.15.4 para Zigbee y Thread, funciona entre 2.36 GHz y 2.48 GHz, y utiliza una unidad central de procesamiento Arm Cortex-M0+, hardware de capa de enlace Bluetooth y un procesador de paquetes 802.15.4. Además de su uso principal como un subsistema completo, también puede actuar como un módem para agregar conectividad Bluetooth o 802.15.4 a un controlador integrado existente, o como un sensor inalámbrico independiente con una aplicación integrada donde no se requiere un controlador host.

El SoC multiprotocolo LTC5800IWR-IPMA#PBF de Analog Devices combina la compatibilidad con los protocolos basados en 802.15.4 ya mencionados y con otro protocolo llamado SmartMesh, que tiene una historia interesante. Lo desarrolló Kris Pister, un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California Berkeley a fines de la década de 1990, con fondos del proyecto Smart Dust de DARPA. El objetivo del programa era crear una radio pequeña y altamente confiable que pudiera funcionar con una batería o con recolección de energía. Los clientes clave serían las empresas de servicios públicos con una infraestructura muy extendida que a menudo operan en condiciones ambientalmente hostiles.

Para comercializar la tecnología, Pister fundó Dust Networks en conjunto para producir una red de sensores inalámbricos en malla llamada SmartMesh. En 2011, Linear Technology adquirió la empresa y, en 2017, la adquirió Analog Devices, que es donde prosigue SmartMesh, ahora también en IIoT.

SmartMesh consta de una malla de nodos autoformados y multisaltos (llamados motas) que recopilan y transmiten datos, y de un administrador de red que coordina el rendimiento y la seguridad e intercambia datos con una aplicación host (Figura 3). Como la fiabilidad era uno de los requisitos principales del programa DARPA, SmartMesh ha conservado esta capacidad con un tiempo de actividad del 99%, incluso cuando se opera en condiciones ambientales adversas. Su protocolo de comunicación es una variante de espectro extendido llamada Salto de Canal por Ranuras de Tiempo (TSCH), que sincroniza todas las motas de la red en unos pocos microsegundos.

Diagrama de la red SmartMesh, cada nodo actúa como un enrutadorFigura 3: En una red SmartMesh, cada nodo actúa como un enrutador, por lo que se pueden conectar nuevos nodos en cualquier punto. La tecnología admite hasta 50,000 nodos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Todas las motas de la red se sincronizan en menos de 1 milisegundo (ms) y las baterías pueden durar más de 10 años. Solo se necesita el desacoplamiento de la fuente de alimentación, los cristales y una antena para crear un nodo inalámbrico completo. Cuando se utiliza una antena omnidireccional de ganancia de 2 dBi, el LTC5800-IPM tiene un alcance típico de 300 metros (m) en exteriores y de 100 m en interiores.

Conclusión

Con todas las variaciones en los protocolos inalámbricos, es difícil seleccionar la interfaz inalámbrica y el protocolo adecuados para la implementación del IIoT, ya que también hay sistemas heredados que pueden necesitar apoyo. Como se muestra, los SoC de IoT que admiten múltiples protocolos inalámbricos de corto alcance en varias bandas de RF pueden simplificar en gran medida el despliegue de las redes de IIoT al ofrecerles a los diseñadores una mayor flexibilidad.

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Acerca de este autor

Barry Manz

Fundador de Manz Communications, Barry Mans ha escrito sobre electrónica durante más de 27 años. Escribe artículos y todos los tipos de artículos editoriales para generar visibilidad para empresas con un mensaje altamente técnico para comunicar. Los servicios incluyen artículos técnicos, de opinión relacionados con productos, sobre aplicación, hojas de datos, folletos y otros documentos similares así como catálogos.

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