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¿ARM o x86? ¡Con Qseven no hay limitaciones!

Los módulos Qseven de congatec hacen que las pasarelas LPWAN sean altamente flexibles

La pasarela FlexGate LPWAN (Low- Power Wide-Area Network) de los especialistas franceses en ingeniería de sistemas IoT y embebidos EXPEMB está basada en los módulos Qseven Computer-on-Modules de congatec. Esto le da al proveedor la libertad de elegir cualquier procesador ARM o x86 de bajo consumo que demanden los clientes.

Las redes de controladores y sensores distribuidos conectados para tareas de monitorización, gestión y mantenimiento son la causa que hay detrás del IoT. Uno de los mayores desafíos es proporcionar conectividad fiable y el intercambio de datos con sensores distribuidos y controladores a largas distancias desde unos pocos cientos de metros hasta varios kilómetros. Este reto es doble: Responder a los requisitos de ultra-bajo consumo de energía de los sensores y controladores distribuidos, a la vez que permite un intercambio de datos fiable y rentable. Las tecnologías inalámbricas locales no tienen el alcance de la multidifusión o broadcast.

Las tecnologías celulares son demasiado caras y consumen demasiada energía. Por lo tanto, se necesitan nuevas tecnologías para estas conexiones de baja potencia de área amplia (LPWA) en zonas rurales y urbanas, que son los principales impulsores de las altas tasas de crecimiento progresivo de las aplicaciones M2M e IoT. Mientras que el número total de conexiones M2M sólo crecerá de 5.000 millones en 2014 a 27.000 millones en 2024 a un CAGR del 18% (1), LPWA es un mercado que se espera crezca a un CAGR del 93% durante el período 2016-2022 (2) para llegar al 14% de las conexiones M2M en general en 2024. Hoy en día, Europa Occidental tiene la mayor parte del mercado de LPWA, ya que los países de esta región fueron los primeros en adoptar estos sistemas de información. Pero los principales proyectos de ciudades inteligentes en China, Singapur y la India también están impulsando el crecimiento.

Conexión directa segura

Las conexiones LPWA pueden estar disponibles a través de diferentes tecnologías. Una vía se basa en una infraestructura de tipo celular con estaciones base de telecomunicaciones. Algunos ejemplos son Sigfox o Huawei (Cellular IoT) que se implementan como redes abiertas para el uso de todos. Pero la mayoría de los usuarios comerciales prefieren las redes privadas debido a problemas de seguridad. Una de las tecnologías para este segmento de mercado es LoRa. Utiliza una topología en estrella para una conexión bidireccional entre dispositivos como sensores o actuadores y una o varias pasarelas que pueden, si están soportadas, enviar inmediatamente todos los datos a través de la tecnología IP estándar a un servidor central de la nube.

La velocidad de transferencia de datos entre los dispositivos y las pasarelas oscila entre 0,3 kbps y 50 kbps. LoRa también cifra todos los datos a través de la tecnología de cifrado AES, utilizando una clave de red única de 64 bits, una clave de aplicación única de 64 bits y una clave específica de dispositivo de 128 bits. La conexión inalámbrica “single-hop” utiliza la banda de frecuencias sin licencia 868 MHz en Europa y 915 MHz en América del Norte. Con esto, los operadores no tienen que pagar por infraestructuras y licencias de terceros, lo que ayuda a reducir los costes.

La capacidad máxima de los dispositivos o nodos finales accesibles para una pasarela LoRa depende del número de paquetes que la pasarela tiene que gestionar en un período de tiempo determinado. Un bloque de construcción LoRa para una pasarela con 8 canales puede procesar hasta 62.500 paquetes por hora. Esto equivale a la cantidad máxima de dispositivos que una pasarela puede manejar si está configurada para enviar sólo un paquete por hora. El alcance máximo en ambientes urbanos sin línea directa de visión y sin gran cobertura interior oscila entre 2 y 10 km.

En áreas suburbanas, se pueden alcanzar hasta 15 km y 40 km para áreas con una línea de visión directa y pocas interferencias. Para equilibrar la duración de la batería y la intensidad de la señal, el servidor de red LoRa utiliza un algoritmo ADR (Adaptive Data Rate) para definir automáticamente el rendimiento óptimo bajo las condiciones ambientales locales. El algoritmo se basa en información avanzada como la relación de ruido de señal (SNR), la indicación de intensidad de señal recibida (RSSI) y diferentes canales para optimizar la potencia de la señal y el consumo de energía para cada dispositivo final, individualmente.

Con esto, los dispositivos finales pueden alcanzar una vida de batería de hasta 105 meses con una batería 2000 mAh, cerca de 10 veces más de lo que los actuales protocolos basados en red celular ofrecen. Además de los aspectos tecnológicos, LoRa también recibe gran apoyo de la industria, lo que ayuda a acelerar su despliegue en todo el mundo. En julio de 2016, por ejemplo, KPN hizo disponible su red LoRa en toda Holanda para aplicaciones IoT. El especialista LPWAN, Actility también es compatible con LoRa.

Amplia gama de aplicaciones

Esta configuración convierte a LoRa en una de las tecnologías de red de área extensa de baja potencia más interesantes para muchas aplicaciones (3) . Las áreas de aplicación de destino incluyen instalaciones IoT y M2M en ciudades inteligentes y aplicaciones industriales como agricultura, infraestructura, servicios públicos y logística. EXPEMB ha desarrollado una pasarela multiservicio modular y escalable para redes LoRa que está diseñada tanto para entornos comerciales, así como industriales adversos y puede desplegarse en diversas aplicaciones, desde armarios de control en instalaciones, subestaciones en redes de energía, y estaciones base celulares como Infraestructuras para la ciudad inteligente y proyectos de agricultura inteligente.

La pasarela FlexGate que está aprobada como ThingPark por Actility, incluye un concentrador LoRa real estructurado en torno a un chip dedicado Semtech SX1301. Tiene la capacidad de escuchar simultáneamente 8 canales LoRa para comunicarse con varios miles de nodos conectados. Las pasarelas FlexGate también ofrecen una gran conectividad hacia la nube central con enlace Ethernet de 1 Gbit, Wi-Fi, 3G / 4G y Bluetooth. Todos los enlaces están disponibles simultáneamente en la pasarela y el retroceso ó “fallback” se puede configurar de acuerdo a diferentes scripts. Este enfoque garantiza una comunicación fiable independientemente de la topología local. Una amplia gama de I / O de campo como 2 puertos USB, 1 puerto serial y GPIOs permiten conectar otros dispositivos locales con comunicación por cable de diferentes formas, incluido el soporte de bus de campo Modbus. Integrando sólo componentes industriales sin partes móviles como ventiladores o HDDs, la pasarela FlexGate es una plataforma de alta fiabilidad diseñada para funcionar 24/7. Está alimentada por DC o PoE +, donde el último reduce los esfuerzos de cableado.

Las configuraciones exteriores soportan el rango de temperatura ampliado y la protección IP67 con conectores impermeables. Las pasarelas FlexGate están diseñadas como plataformas listas para la aplicación y ofrecen servicios de gestión basados en un marco Linux modular dedicado al IoT. Esta arquitectura abierta permite la fácil integración de los nuevos servicios requeridos. Los servicios que ya forman parte de la configuración estándar incluyen capas de comunicación altamente seguras, así como un emisor de paquetes abierto que envía paquetes RF recibidos por el concentrador, a un servidor a través de un enlace IP / UDP, y emite paquetes RF enviados por el servidor. Además del extenso soporte de red LoRa en campo, la pasarela FlexGate también ofrece conectividad flexible de nube a campo, preparada para adaptar las configuraciones locales de LoRa y facilitar todos los servicios requeridos necesarios, desde servicios de implementación de campo hasta monitorización y gestión operacional, así como servicios de mantenimiento que incluyen funciones de actualización remota de firmware (FOTA). Dado que la línea de productos ha sido diseñada para satisfacer todas las necesidades de los despliegues de pasarela LoRa, la familia de sistemas puede integrar todas las tecnologías de procesador comunes, independientemente de la microarquitectura.

Esto permite a EXPEMB ofrecer su tecnología de pasarela en absolutamente todos los proyectos de clientes. “No queríamos limitar nuestra competencia básica de LoRa a una tecnología de procesador determinada, ya que esto limitaría demasiado nuestro potencial de mercado. Por lo tanto, diseñamos una plataforma de arquitectura gemela capaz de alojar tecnologías ARM y x86, lo que nos permite participar en todas las licitaciones”, explicó Jean-Christian Rerat, CEO de EXPEMB. Las pasarelas FlexGate actuales están equipadas con una potencia de procesamiento flexible basada en dos familias de procesadores principales: una es la última generación de núcleos multi-CPU de baja potencia Freescale i.MX6. La otra es la familia de productos Intel® Atom ™ E3800 con 1 a 4 núcleos (conocidos como Bay Trail). Ambas arquitecturas flexibles de la cartera FlexGate ofrecen una potencia de procesamiento que se puede adaptar fácilmente a diferentes casos de uso, debido a su amplia escalabilidad de rendimiento hasta servidores con inteligencia “fog” y “edge”.

La plataforma de hardware implementada y la flexibilidad de rendimiento han sido posibles gracias a la integración de los módulos Qseven Computer-on-Modules que soportan arquitecturas, ARM y x86. El uso de estos módulos también permite a EXPEMB cambiar una de estas familias de procesadores con la última tecnología, sin necesidad de cambiar el diseño del hardware. Esto convierte a las pasarelas Flex- Gate en una plataforma que se puede implementar durante más tiempo que el ciclo de vida de los procesadores, que es de 15 años para Freescale y 7 años para Intel. Además, los futuros procesadores como la próxima generación de Intel Atom Apollo Lake también se puede implementar. Desde el punto de vista del proveedor, EXPEMB ha elegido los módulos de congatec porque lideran en la parte de Computer-on-Modules en Europa y ofrecen el mejor servicio y soporte de su clase, así como una de las carteras Qseven más amplias disponibles. Y aunque esta empresa tiene la mayor cuota de mercado, lo que podría implicar procesos complicados para obtener el soporte adecuado, debido a una gran organización fragmentada, el apoyo de integración personal es lo que más valora EXPEMB. “Nos sentimos tan bien atendidos como si estuviéramos hablando con los propietarios de una empresa de ingeniería de pequeño tamaño.

Ellos están comprometidos, conocen sus productos y dan respuestas que resuelven el problema “, elogia JC Rerat del equipo de soporte de integración de congatec. El desafío era conseguir una configuración funcional más o menos idéntica para las diferentes arquitecturas, que nos permitiera escalar nuestras soluciones de la manera más eficiente. Con este propósito, congatec proporciona un soporte de plataforma perfecto para construir familias uniformes con x86 y ARM. “La mayoría de los proveedores estándar de módulos COM, tienen expertos dedicados para cada arquitectura. En congatec, tuvimos el mismo experto para ambas arquitecturas. Eso hizo que la comunicación fuera muy eficiente “, concluye JC Rerat.Rerat.



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