Bienvenido al conjunto de opciones inalámbricas: Bandas de RF y opciones de protocolo para desarrolladores integrados, Parte 1

Nota del editor: La Parte 1 de esta serie de dos partes analiza las diversas opciones de conectividad inalámbrica disponibles para los diseñadores de sistemas integrados y presenta algunos ejemplos relevantes. La Parte 2 presentará las características de los módulos inalámbricos con más detalle, junto con información sobre cómo usarlos de manera efectiva.

Tradicionalmente, los dispositivos y los sistemas integrados han sido independientes con interfaces conectadas por cable para el intercambio y el mantenimiento de datos. Ahora, los diseñadores sienten una presión creciente para agregar algún tipo de interfaz inalámbrica para conectar su sistema o dispositivo a otros sistemas, o a Internet de las cosas (IoT).

Si bien los avances de silicio y las nuevas interfaces han hecho que la incorporación de la conectividad inalámbrica sea más práctica y rentable; la desventaja es que existe una amplia y confusa gama de protocolos disponibles, capacidades de rango y velocidades de transmisión de datos para elegir. Esto hace que sea difícil para los diseñadores tomar la decisión correcta para una aplicación específica.

A fin de ayudar a reducir el campo más rápidamente a una solución práctica, este artículo compara y resume diez opciones de redes inalámbricas para diseños integrados, y presenta ejemplos de tres módulos inalámbricos muy distintos.

Criterios de evaluación de la interfaz inalámbrica

El rango, el costo y el consumo de energía son quizás los criterios más importantes para la mayoría de los diseños integrados. En términos de rango, las opciones inalámbricas varían ampliamente:

• Las comunicaciones de campo cercano (NFC) solo tienen un alcance de unos pocos centímetros.
• Bluetooth y Zigbee están diseñados para un alcance de unos pocos metros con una potencia extremadamente baja.
• Las radios Wi-Fi basadas en 802.11 tienen un alcance de cientos de metros y se conectan directamente a la infraestructura de Internet omnipresente.
• La IoT de banda angosta (NB-IoT) usa infraestructura celular con licencia para transportar datos inalámbricos a través de muchos kilómetros.
• LoRaWAN y Sigfox son opciones inalámbricas de bajo consumo y largo alcance para dispositivos de IoT que también cubren muchos kilómetros, pero operan en bandas sin licencia.

La Figura 1 es un dibujo simple que coloca varios de estos protocolos en el plano de ancho de banda/rango.

Figura 1: Diagrama conceptual de rango (en metros a kilómetros) versus ancho de banda (en bits por segundo a megabits por segundo) para varios protocolos inalámbricos. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Existen dos criterios adicionales que considerar además del rango, el costo y el consumo de energía. El primero es si la aplicación requiere o no un procesador de aplicaciones incorporado. Algunos módulos inalámbricos emulan la operación y usan las mismas herramientas de desarrollo que las placas de desarrollo populares como Arduino Uno. Otros tienen sus propias arquitecturas y sus propios ecosistemas de desarrollo. Incluso, algunas no presentan ningún procesamiento incorporado.

Si el módulo inalámbrico solo implementará comunicaciones para un procesador central, entonces la interfaz entre el procesador central y el módulo inalámbrico se convierte en un factor importante. En ese caso, hay muchas opciones que incluyen protocolos seriales como I²C, SPI o UART. Otra posibilidad es la cabecera de E/S de Arduino: hay muchos módulos disponibles como blindajes de Arduino. Sin embargo, estas interfaces de serie más lentas y la cabecera de E/S de Arduino no admitirán velocidades de transmisión de datos más altas. Las velocidades de transmisión de datos mucho más rápidas requieren interfaces mucho más veloces como PCIe, por ejemplo.

La siguiente tabla alfabética enumera diez opciones comunes y criterios de selección básicos para varios protocolos de red inalámbrica adecuados para diseños integrados.

Tabla 1: Comparación de varios estándares para comunicaciones inalámbricas integradas. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Algunos de estos protocolos inalámbricos, como Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth de baja energía (LE) y NFC ya se utilizan ampliamente en teléfonos móviles y computadoras portátiles. Debido a que se despachan por cientos de millones, los CI de RF y los módulos necesarios para implementar estos protocolos se han vuelto relativamente baratos. A continuación, se presentan breves resúmenes para cada uno de los estándares inalámbricos enumerados en la tabla anterior:

Bluetooth: Desarrollado inicialmente para conectar inalámbricamente dispositivos complementarios a teléfonos móviles, Bluetooth se ha convertido en un protocolo inalámbrico útil para aplicaciones de baja potencia que necesitan un ancho de banda de datos relativamente corto y moderado de 1 a 3 megabits por segundo (Mbps). Debido a los extensos protocolos de datos y perfiles ya desarrollados, los módulos de RF Bluetooth son relativamente fáciles de integrar en una aplicación integrada.

Bluetooth LE: Bluetooth LE reduce considerablemente el consumo de energía y el costo en comparación con el Bluetooth clásico mientras mantiene un rango de comunicación similar. Está dirigido a nuevas aplicaciones de cuidado de la salud, acondicionamiento físico, balizas de localización, seguridad y entretenimiento en el hogar.

LoRaWAN: Destinado a dispositivos inalámbricos operados por batería en una red regional, nacional o mundial, LoRaWAN se enfoca en los requisitos clave de IoT para proporcionar comunicación segura, de baja potencia y bidireccional con servicios de movilidad y localización en un área amplia. La especificación LoRaWAN es una capa de control de acceso a medios (MAC) que se puede superponer en una variedad de protocolos de capa física (PHY) desde redes de satélite como Globalsat hasta redes públicas y privadas terrestres. LoRaWAN ofrece una interoperabilidad continua y de largo alcance entre dispositivos IoT sin la necesidad de soporte de red local.

IoT de banda angosta: Desarrollado para conectar una amplia gama de dispositivos y habilitar servicios mediante bandas de telecomunicaciones celulares, la IoT de banda angosta(NB-IoT) es uno de los elementos de una gama de tecnologías de IoT móvil (MIoT) estandarizadas por el Proyecto de asociación de tercera generación (3GPP). NB-IoT se despliega “en banda” dentro del espectro celular asignado a las redes celulares 4 G LTE mediante bloques de recursos dentro de una portadora LTE normal, o en los bloques de recursos no utilizados dentro de una banda de protección de una portadora LTE.

NFC: Para dispositivos portátiles como teléfonos móviles, la NFC proporciona un conjunto de protocolos de comunicación estandarizado que permite que dos dispositivos electrónicos se comuniquen a una distancia muy cercana (por lo general, menos de 10 centímetros [cm]), por lo que es estrictamente una conexión de corto alcance. A menudo, se usa para transacciones financieras, como sistemas de pago sin contacto y emisión de boletos electrónicos para dispositivos móviles. Debido al corto alcance de la NFC, uno de los dos dispositivos de comunicación NFC suele ser portátil y manual De lo contrario, un simple par de cables, generalmente, proporciona una conexión para comunicaciones más simple y más barata.

Sigfox: Los objetos de baja potencia como los medidores de electricidad o los relojes inteligentes, que deben encenderse de manera intermitente y necesitan funcionar con la batería durante años o incluso décadas, pueden usar la interfaz de radio de largo alcance patentada de Sigfox para enviar ocasionalmente pequeñas cantidades de datos a la nube.

6LoWPAN: 6LoWPAN es un acrónimo de “IPv6 sobre redes inalámbricas de área personal de baja potencia”, y se basa en la idea de que el protocolo de Internet (IP) podría y debería ser aplicable incluso a los dispositivos más pequeños. El protocolo 6LoWPAN permite que los dispositivos de baja potencia con capacidades de procesamiento limitadas participen en la IoT al definir mecanismos que permitan que los paquetes IPv6 se envíen y reciban a través de redes de radio basadas en las capas PHY y MAC menos complejas de IEEE 802.15.4 (que también sirven como base para las redes de malla de RF de baja potencia de Zigbee, y muchas otras).

802.11/Wi-Fi: Omnipresentes, rápidas y con soporte nativo de IP, las radios Wi-Fi son relativamente fáciles de agregar a un diseño integrado para conectar un dispositivo directamente a IoT.

802.15/Zigbee: El estándar IEEE 802.15.4 especifica PHY y MAC para redes inalámbricas de área personal de baja velocidad de transmisión datos (WPAN). Zigbee se basa en el estándar 802.15.4 con un protocolo inalámbrico diseñado para construir redes de malla medianas o grandes que conectan sensores y controladores. En la actualidad, más de 2,500 productos están certificados por Zigbee y se han enviado más de 300 millones de estos productos.

Z-Wave: Z-Wave fue desarrollado como un protocolo inalámbrico de baja velocidad, fácil de implementar, que permite que una variedad de dispositivos electrónicos hogareños se intercomuniquen mediante un protocolo inalámbrico confiable y de baja potencia que viaja fácilmente a través de paredes, pisos y gabinetes. Z-Wave es un protocolo patentado desarrollado por un proveedor y requiere una licencia de uso. En la actualidad, existen más de 700 empresas asociadas a Z-Wave Alliance que ofrecen más de 2400 productos “inteligentes” conectados de forma inalámbrica, como electrodomésticos, persianas, termostatos e iluminación doméstica.

La mayoría de estos protocolos inalámbricos ahora están en módulos listos para usar que están certificados según los estándares regionales, lo que facilita la vida a los diseñadores integrados que necesitan agregar comunicaciones inalámbricas a sus diseños. Aunque la Parte 2 de este artículo presentará ejemplos y descripciones de muchos de estos módulos, aquí hay tres módulos de protocolo inalámbrico bastante distintos para despertar el apetito:

ESP-WROOM-32 de Espressif Systems

El ESP-WROOM-32 es un módulo de Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE con un procesador incorporado que se enfoca en una amplia variedad de aplicaciones que van desde redes de sensores de velocidad de transmisión de datos baja y de bajo consumo hasta tareas más exigentes que operan a velocidades de transmisión de datos mayores, incluida la codificación de voz, la transmisión de música y la decodificación de MP3. El módulo mide solo 25.2 x 18 milímetros, pero viene con un procesador de doble núcleo de 32 bits, lo que le permite actuar como controlador de host cuando sea necesario. También puede habilitar de forma inalámbrica otra CPU que funcione como secundaria, mediante una variedad de interfaces que incluyen SPI e I²C.

Figura 2: El módulo ESP-WROOM-32 Wi-Fi-BT-BLE MCU de Espressif Systems opera a velocidades de hasta 150 Mbps. (Fuente de la imagen: Espressif Systems)

Minitarjeta PCIe EWM-W151H01E 802.11b/g/n 1T de Advantech Corp.

La minitarjeta PCIe EWM-W151H01E 1T de mitad de tamaño implementa los estándares de Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n y opera a velocidades de transmisión de datos de hasta 150 Mbps. El factor de forma de minitarjeta PCIe conectable, junto con los controladores para Windows y Linux, hacen que este módulo de tarjeta sea más adecuado para diseños de PC integrado (procesador x86).

Figura 3: La minitarjeta PCIe de mitad de tamaño EWM-W151H01E 1T de Advantech implementa los estándares de Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n. (Fuente de la imagen: Advantech)

El Módulo celular LTE Cat 1XBC-V1-UT-001 de XBee de Digi International

El módulo celular LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 de la serie XBee para módulos de RF programables de Digi International se conecta a la red celular LTE de Verizon por unos pocos dólares al mes. Puede servir como un procesador de control incorporado inalámbrico que está programado en MicroPython. También puede servir como un módem celular simple con una conexión UART para otras CPU integradas. Digi International también ofrece el kit celular 4 G de XBee XKC-V1T-U que incluye el módem celular, cables, una fuente de alimentación y una placa portadora que abre los puertos del módem para los conectores.

Figura 4: El módulo de radio celular LTE Cat 1 de XBee de Digi International XBC-V1-UT-001 coloca un sistema integrado en la red de comunicaciones celulares de Verizon por unos pocos dólares al mes. (Fuente de la imagen: Digi International)

Conclusión

Los diseñadores continúan respondiendo a la demanda de algún tipo de conectividad inalámbrica para sus diseños de sistemas integrados. Sin embargo, la cantidad de opciones inalámbricas continúa expandiéndose, lo que causa cierto grado de confusión.

Para superarlo, un diseñador primero debe desarrollar una imagen clara de los requisitos de diseño. Entonces, ya armados, pueden usar la información anterior para unir rápidamente esos requisitos a los diversos perfiles de conectividad inalámbrica de alcance, potencia y velocidad de transmisión de datos. Esto puede simplificar y acelerar enormemente el proceso de selección del conjunto de opciones inalámbricas en constante crecimiento.