Martes , Agosto 22 2017
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Enlaces inalámbricos por debajo de 1 GHz para el Internet de las Cosas Industrial

“Este artículo revisa las tecnologías más recientes para la conexión de nodos de sensores industriales en el Internet de las Cosas utilizando las bandas ISM por debajo de 1GHz. Desde transceptores sencillos hasta microcontroladores con RF integrada, existen numerosas opciones para implementar un enlace de bajo coste, largo alcance y bajo consumo para un nodo de sensores”.

 

La conexión de dispositivos es un requisito fundamental en Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) y puede representar una dificultad aún mayor en un entorno industrial. El IoT industrial exige la conexión fiable de muchos dispositivos en entornos adversos desde un punto de vista físico y electromagnético. Esto todo puede ser todo un reto para los sistemas inalámbricos, especialmente en la concurrida banda de 2,4 GHz en la que funcionan Wi- Fi y Bluetooth. El uso de bandas sin licencia por debajo de 1 GHz – 433 MHz, 868 MHz o 915 MHz – ofrece un mayor alcance que la de 2,4 GHz pero con unas velocidades de transmisión de datos más bajas. Esto es válido para aplicaciones industriales que no necesiten datos de vídeo en streaming sino la transferencia de datos procedentes de sensores e información de diagnóstico de los equipos. Esto también posibilita que los desarrolladores busquen una contrapartida entre la velocidad de transmisión de los datos y el alcance para reducir el consumo, lo cual permite prolongar la autonomía de la batería o recurrir a fuentes de alimentación basadas en la captura de energía. De esta manera se puede conseguir un significativo ahorro al reducir los costes operativos al optar por baterías con ciclos de sustitución de hasta 20 años con el diseño adecuado. No obstante, estos enlaces deben ser muy fiables y ello depende de la combinación del hardware de radio del transceptor, el microcontrolador y las pilas de protocolo embebido. Disponer de diversas opciones en estas tres áreas proporciona a los desarrolladores de sistemas la flexibilidad de optimizar sus diseños para cada implementación industrial. Los enlaces por debajo de 1 GHz para banda estrecha pueden tener un alcance de hasta 10 km ya que hay una menor atenuación en paredes o edificios, reduciendo o eliminando así la necesidad de instalar pasarelas o repetidores, lo cual reduce a su vez el coste de implementación de la red. Un espectro menos concurrido también significa que las transmisiones resultarán más fáciles y que habrá menos reintentos, por lo que es más eficiente y ahorra energía de la batería. La sensibilidad de la radio es inversamente proporcional al ancho de banda del canal, de forma que un ancho de banda más estrecho crea una mayor sensibilidad en el receptor y permite un funcionamiento eficiente con unas velocidades de transmisión más bajas. Por ejemplo, a 300 MHz, si el error del cristal del transmisor y el receptor es en ambos casos de 10 ppm (partes por millón), el error es de 3 kHz para cada uno. Para que la aplicación transmita y reciba eficientemente, el mínimo ancho de banda del canal duplica la tasa de errores, o 6 kHz, que es ideal para aplicaciones de banda estrecha. Para conseguir lo mismo a 2,4 GHz hace falta un mínimo ancho de banda del canal de 48 kHz que desperdicia ancho de banda en aplicaciones de banda estrecha y necesita una potencia operativa significativamente más elevada. Uno de los inconvenientes puede ser que se necesita una antena de mayor tamaño para el nodo por debajo de 1 GHz, mientras que a 433 MHz la antena es de 17 cm. Sin embargo, este aspecto puede ser menos problemático para las redes industriales, donde el espacio tiene menos importancia y se puede solucionar gracias a nuevas técnicas de diseño como las antenas fractales para instalaciones de menor alcance o bien utilizando bandas más altas como 915 MHz, donde una antena de 8 cm es suficiente.

 

El primer microcontrolador inalámbrico de Silicon Labs (Figura 1) combina una CPU ARM Cortex-M3, USB y una radio por debajo de 1 GHz junto con optimizaciones del consumo de energía para diseños de IoT. La familia EZR32LG de dispositivos con patillas compatibles cuenta con 64/128/256 kB de Flash y es compatible con los transceptores EZRadio o EZRadioPRO de Silicon Labs, que cubren las bandas de frecuencia por debajo de 1 GHz entre 142 y 1050 MHz. Estos dispositivos alcanzan una sensibilidad de hasta –133 dBm utilizando EZRadioPro para proporcionar el máximo alcance o más reducido para minimizar el consumo. Este dispositivo cubre las principales bandas de frecuencia y logra óptimos niveles de ruido de fase, bloqueo y selectividad para aplicaciones de banda estrecha y banda con licencia, como FCC Parte 90 y Mbus inalámbrico de 169 MHz. La selectividad de canal adyacente de 69 dB con una separación de 12,5 kHz entre canales consigue que haya una mínima interferencia entre canales y se puede filtrar cualquier otro ruido eléctrico de manera eficiente para evitar interferencias con el enlace de radio. Las comunicaciones entre la radio y el microcontrolador se llevan a cabo a través de USART, PRS e IRQ, para lo cual es preciso configurar las patillas como se indica en la Tabla 1. Un elemento clave en el EZR32LG es un acelerador AES que aporta seguridad al nodo inalámbrico. Éste se encarga del criptografiado y descriptografiado AES con claves de 128 bit o 256 bit. Criptografiar o descriptografiar un bloque de datos de 128 bit tarda 52 ciclos con claves de 128 bit y 75 ciclos con claves de 256 bit. El módulo AES es un AHB esclavo que permite un acceso eficiente a los datos y registros de claves, por lo que todos los accesos de escritura al bloque AES deben ser operaciones de 32 bit.

 

Para la conexión a los sensores, o directamente el equipo, hay 38 patillas GPIO (General Purpose Input/ Output) divididas en puertos de hasta 16 patillas cada uno. Estas patillas se pueden configurar de forma individual como salida o entrada, si bien también existen configuraciones más avanzadas para cada patilla, como drenador abierto, filtrado y nivel de control. Las patillas GPIO también se pueden controlar mediante patillas de periféricos como temporizadores, salidas PWM o comunicación mediante USART. GPIO permite hasta 16 interrupciones de patillas externas asíncronas para realizar interrupciones desde cualquier patilla del dispositivo. Los diseñadores también pueden utilizar el Peripheral Reflex System de Silicon Labs, en el cual el valor de entrada de una patilla se puede dirigir a través de otros periféricos. Esto ofrece la flexibilidad de asignar patillas de manera que se pueden introducir fácilmente cambios en la placa durante el desarrollo o entre generaciones de productos. También es posible lograr un soporte de mayor nivel con un dispositivo integrado. El controlador SimpleLink CC1310 desarrollado por Texas Instruments combina el transceptor de RF y un microcontrolador optimizado para un sistema operativo en tiempo real, así como controladores dedicados independientes para gestión de alimentación y sensores. El transceptor por debajo de 1 GHz tiene su propio microcontrolador Cortex-M0 (Figura 2) para manejar aspectos críticos de los protocolos de radio desde el punto de vista temporal sin necesidad del procesador principal, dejando así más recursos para la aplicación del usuario. Puede ser compatible con una gran variedad de formatos de modulación, bandas de frecuencia y aceleradores, desde 625 bit/s para largo alcance y alta robustez hasta velocidades de transmisión de los datos de hasta 4 Mbps, todo ello para diversos formatos de modulación desde FSK y MSK multinivel hasta OOK (On-Off Keying). El microcontrolador Cortex-M3 de 48 MHz es compatible con múltiples capas físicas y estándares de RF y ejecuta el sistema operativo en tiempo real que configura la gestión de alimentación y del reloj.

 

 El controlador del sensor es un procesador independiente que controla diversos periféricos de forma que no haya que activar la CPU principal, por ejemplo para ejecutar una muestra del convertidor A/D o consultar un sensor digital mediante SPI, ahorrando así corriente y tiempo de activación. Un transceptor separado puede resultar ventajoso. El MRF49XA de Microchip (Figura 3) se dirige a aplicaciones inalámbricas bidireccionales y de corto alcance en la banda de frecuencia ISM de 434/868/ 915MHz para modulación FSK (frequency shift keying) con capacidad FHSS (frequency hopping spread spectrum) similar a la utilizada en el estándar Bluetooth, y se puede integrar fácilmente con los microcontroladores PIC de 8 16 o 32 bit de Microchip. FHSS ofrece la posibilidad de moverse entre diferentes bandas de frecuencia siguiendo un orden establecido con el fin de evitar canales con demasiado ruido, pero puede interferir con los canales DSSS (direct sequence spread spectrum) adyacentes. Esto proporciona una gran resistencia a la interferencia del canal adyacente; además su tasa de errores de bit (Bit Error Rate, BER), mayor cobertura de comunicación de frecuencias más bajas, junto con una mayor potencia de salida, hacen que resulte apropiado para diseños de IoT industrial. Para minimizar el coste total del sistema, el transceptor utiliza un cristal genérico de 10 MHz de tipo general y de bajo coste, un filtro de paso y un microcontrolador asequible. El MRF49XA proporciona una señal de reloj al microcontrolador y evita la necesidad de añadir un segundo cristal a la placa del circuito y funciona con microcontroladores PIC a través de SPI de 4 hilos, con interrupción y reinicialización. La Figura 4 muestra el interface entre el microcontrolador y MRF49XA. El transceptor de RF MRF49XA también se suministra en una tarjeta hija PICtail para su integración con las tarjetas de desarrollo modulares para microcontroladores PIC18 Explorer de 8 bit y Explorer 16 de 16 bit.

 

Conclusión Los diseños por debajo de 1 GHz pueden prolongar enormemente la autonomía de la batería de un nodo de sensores inalámbricos en el IoT industrial. Cuando hay miles de nodos en una red, el coste operativo de sustitución de la batería puede ser prohibitivo, por lo que reducir el ciclo de sustitución a diez o incluso veinte años puede marcar una importante diferencia. Buscando la contrapartida entre las velocidades de transmisión de los datos en banda estrecha y el alcance por un lado, y la autonomía de la batería por otro en las bandas por debajo de 1 GHz, bien sea con un dispositivo integrado o con un transceptor separado y un microcontrolador de bajo coste, un desarrollador puede optimizar el diseño de un nodo para conseguir las mejores prestaciones y suministrar datos fundamentales de los equipos a IoT.



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