Autor: Suman THAPA, Senior Product Engineer en Murata Manufacturing
La geolocalización es, claramente, una de las killer apps del Internet de las Cosas (IoT). Cada año se despliegan millones de rastreadores en distintos mercados industriales y de consumo, para un número cada vez mayor de casos de uso. Sin embargo, las exigencias tecnológicas avanzan con rapidez. Hoy se espera que un rastreador de última generación proporcione un posicionamiento preciso tanto en interiores como en exteriores mediante el uso de múltiples tecnologías. Además, los dispositivos deben realizar un complejo procesamiento edge de los sensores integrados y, para contribuir a maximizar la autonomía de la batería, conectarse a los protocolos más recientes de redes de área amplia de baja potencia (LPWAN), incluido Long Range Wide Area Network (LoRaWAN).
Ante este conjunto de requisitos tan diverso, diseñar un tracker IoT energéticamente eficiente supone un reto de ingeniería considerable. Por suerte, nuevos módulos como el Type 1WL (LBEU5ZZ1WL) simplifican esta tarea al ofrecer bloques funcionales preintegrados que agilizan el proceso de desarrollo.
El auge de la geolocalización multitecnología
Históricamente, el mercado del tracking se dividía en dos categorías bien diferenciadas, cubiertas por distintos proveedores y tecnologías. El tracking en exteriores se apoyaba en constelaciones de sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), mientras que el tracking en interiores se basaba en tecnologías como Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE) o banda ultraancha (UWB).
Sin embargo, siguiendo una evolución similar a la de los teléfonos móviles, el mercado ha cambiado y ahora también se espera que los trackers diseñados para uso en exteriores sean compatibles con la geolocalización en interiores. Esto, no obstante, ha traído consigo una serie de obstáculos de ingeniería. En primer lugar, la integración de distintas tecnologías de radiofrecuencia (RF) plantea retos importantes, ya que los trackers multimodo deben incorporar capacidades como Wi-Fi y BLE, así como, en algunos casos, beaconing y GNSS multiconstelación. Una vez integradas estas tecnologías, la gestión de la lógica compleja de cada una de ellas, así como de sus interacciones, añade una complejidad adicional.
Optimización de BLE y Wi-Fi en interiores
Los principales retos de la geolocalización mediante BLE y Wi-Fi son filtrar las señales irrelevantes procedentes de numerosos beacons y puntos de acceso, y crear patrones de comunicación eficaces que transmitan los datos de RF esenciales utilizando un tamaño de payload mínimo para ahorrar energía en la comunicación con el backend.
Por lo general, la geolocalización mediante BLE y Wi-Fi se basa en triangulación o fingerprinting a partir de las señales detectadas. Sin embargo, en algunos casos de uso puede resultar más adecuado realizar beaconing activo con preámbulos especiales, utilizando infraestructura externa para llevar a cabo la geolocalización por ángulo de llegada (Angle of Arrival, AoA).
Optimización de GNSS en exteriores
La principal preocupación con GNSS es encontrar el equilibrio entre consumo energético y precisión. Pensemos en un contenedor cargado en un camión en movimiento que informa de su posición cada 10 minutos. En este caso, cada fix estará separado del anterior por 10 km o más, por lo que una precisión de unos 50 m es más que suficiente. Aquí, realizar una resolución GNSS completa en el propio tracker no resulta óptimo. En su lugar, capturar únicamente los datos brutos de pseudorange —la temporización relativa de las señales procedentes de los satélites GNSS— y procesarlos en la nube (Assisted GNSS) puede ahorrar más del 90 % de energía en comparación con los fixes GNSS tradicionales.
Por supuesto, también hay situaciones en las que se necesita saber con la mayor precisión posible dónde se encuentra un tracker, por lo que también es necesario poder realizar una resolución GNSS completa y utilizar las tecnologías de corrección más recientes basadas en sistemas de aumentación por satélite (SBAS). Esto no es más que un breve resumen de las complejidades de la geolocalización GNSS moderna de bajo consumo, y son muchas más las estrategias que debe implementar un tracker de última generación, como la detección temprana de situaciones en interiores para evitar malgastar energía en una actividad inútil del receptor GNSS.
Complejidad de la integración
En los dispositivos modernos, todas estas tecnologías de geolocalización deben integrarse de forma conjunta. Un aspecto crítico de esta integración es una gestión eficaz de la alimentación. En la mayoría de las baterías, la vida útil se ve afectada por los picos de corriente, y las químicas utilizadas en aplicaciones de larga duración, como el litio-cloruro de tionilo, son especialmente sensibles y su capacidad útil puede reducirse hasta en un 50 % (véase la Figura 2).
Figura 2: Impacto de la corriente en la capacidad utilizable según la especificación técnica de una batería ER14505M de litio-cloruro de tionilo (Fuente: Murata)
Por lo tanto, las actividades de RF y GNSS deben secuenciarse cuidadosamente para evitar picos de consumo elevados y minimizar las interferencias entre tecnologías. En la mayoría de los casos de uso se probarán primero las tecnologías de menor consumo. Normalmente, esto significa realizar sniffing Wi-Fi o BLE y, solo si estas opciones fallan, activar la geolocalización GNSS, que consume más energía. Naturalmente, existe una gran variedad de casos de uso.
Soluciones de geolocalización multitecnología de Murata
Afortunadamente, los ingenieros no tienen que partir de cero a la hora de incorporar tracking tanto en interiores como en exteriores, ya que los módulos de geolocalización multitecnología, como el Murata Type 1WL, integran todos los componentes de RF necesarios en un formato compacto de 17 mm x 17,5 mm.
El STM32WB55 de STMicroelectronics es una unidad de microcontrolador (MCU) dual de última generación con radio BLE 5.2 integrada; el chip GNSS MT3333 de MediaTek es un receptor multiconstelación moderno con un excelente rendimiento energético; y el transceptor LR1110 de Semtech proporciona tanto sniffing Wi-Fi como demoduladores GNSS de pseudorange de consumo ultrabajo. Además, el kit de desarrollo de software (SDK) proporcionado por Abeeway, una empresa de ingeniería especializada en tracking multitecnología de consumo ultrabajo, incluye ya todos los drivers necesarios, bloques funcionales modulares y lógica edge para que puedas empezar de inmediato.
Conectividad LPWAN
La tecnología LPWAN sin licencia ha establecido un nuevo referente de eficiencia energética para la comunicación bidireccional de larga distancia. En la actualidad, la tecnología LPWAN líder es LoRaWAN, estandarizada y desarrollada por la LoRa Alliance, y utilizada ya por millones de dispositivos de bajo consumo en todo el mundo. LoRaWAN resulta especialmente relevante para el tracking en interiores y exteriores en grandes instalaciones, como obras, aeropuertos, plantas de petróleo y gas, así como campus industriales. En estos emplazamientos, más allá de la eficiencia energética, un requisito importante es la autonomía completa del sistema de comunicaciones, y se utiliza LoRaWAN por su capacidad para desplegarse como red privada.
Una vez más, el módulo Type 1WL preintegra LoRaWAN mediante uno de los transceptores de Semtech con mejor rendimiento del mercado: el LR1110. Ofrece compatibilidad con Clase A, Clase B y Clase C, y la implementación ha superado correctamente la batería de pruebas del LoRa Alliance Certification Test Tool (LCTT).
Implementación de FreeRTOS optimizada para el consumo
La lógica de aplicación de los trackers suele implicar procesamiento edge complejo, con múltiples hilos y comunicación basada en eventos entre varias máquinas de estados. Dado que la lógica de aplicación interactúa con los distintos transceptores, acelerómetros y otros periféricos, resulta bastante complejo integrar todo el sistema de una forma optimizada para consumo. La sensibilidad temporal del stack LoRaWAN, debida a los temporizadores precisos de las ventanas Rx de enlace descendente, dificulta su integración con múltiples periféricos que generan interrupciones.
El SDK del módulo Type 1WL simplifica el trabajo, ya que viene preintegrado con FreeRTOS, todos los drivers necesarios y el stack LoRaWAN, ofreciendo una solución preintegrada y optimizada para bajo consumo. El sistema de comunicación basado en eventos, ya precompilado, ofrece un framework que puede utilizarse para ampliar y personalizar la lógica de aplicación, e incluye un bootloader, gestión de parámetros y una interfaz de línea de comandos por puerto serie especialmente útil para configuración, pruebas y depuración, además de muchas otras funciones.
Gestión de los costes del proyecto de extremo a extremo, desde el diseño hasta la producción en serie
A pesar de la complejidad de los trackers, se trata de un mercado extremadamente competitivo, por lo que es importante minimizar los costes en todas las fases del proyecto. La disponibilidad de un SDK contribuye ya de forma muy significativa a reducir los costes y riesgos de diseño, pero hay otros aspectos que conviene tener en cuenta.
La certificación de los stacks de comunicación y la garantía de cumplimiento de las normativas FCC/CE también pueden generar costes y retrasos significativos en el proyecto, ya que estas pruebas suelen revelar emisiones parásitas espurias muy difíciles de diagnosticar y eliminar en un ensamblaje de placa de circuito impreso (PCBA).
Sin embargo, ya se ha sometido un módulo de geolocalización multitecnología a pruebas previas para detectar este tipo de problemas e integra todo el apantallamiento necesario. Por tanto, el propio diseño del PCBA se simplifica enormemente, ya que todos los componentes de alta densidad —MCU, GNSS y transceptores de radio— están ya integrados en el módulo de geolocalización. Esto permite trabajar con PCBAs de 4 capas, de menor complejidad y menor coste, y evita incluir pistas potencialmente críticas para el cumplimiento de los requisitos de emisiones.
Por último, la fase de pruebas contribuye de forma significativa al coste unitario en la producción en masa. Probar de forma completa un MCU, varios transceptores y una unidad GNSS requiere mucho tiempo, y el propio diseño del banco de pruebas puede superar fácilmente los 100.000 dólares USD. Elegir un módulo simplifica enormemente las pruebas del ensamblaje final, ya que todos los chips integrados en el módulo han sido previamente probados por el fabricante del módulo, por lo que no es necesario elegir entre calidad y coste de producción.
El caso de uso de extremo a extremo no se limita al dispositivo
Muchos casos de uso requieren un servicio en la nube; por ejemplo, la geolocalización basada en Wi-Fi y BLE siempre requiere un servicio de backend para la resolución completa. Sin embargo, a menudo el backend debe admitir muchas más funciones, como el almacenamiento de series temporales de geolocalización, el control de acceso a esta información, el geofencing, etc. En todos los casos de uso que requieren una interfaz de usuario o una aplicación móvil, el backend de soporte necesita un conjunto amplio de interfaces de programación de aplicaciones (API) para dar soporte a la interfaz de usuario (UI).
Aunque el SDK básico del módulo Type 1WL de Murata solo integra la infraestructura necesaria para acelerar el desarrollo del dispositivo, también cuenta con el respaldo de un completo framework de integración disponible de forma optimizada a través de Abeeway. Este framework ofrece protocolos de comunicación preintegrados mediante LoRaWAN o un módem celular, un sistema de backend completo e incluso una aplicación móvil de marca blanca con funciones para tracking avanzado de ubicación, como emparejamiento de dispositivos, uso compartido de la ubicación y actualizaciones de firmware (Figura 3).
Figura 3: Ejemplo de pantalla de la aplicación de soporte de Abeeway (Fuente: Murata)
El kit de evaluación del módulo de soporte de Abeeway (SKU: MOABE5ZZ1WL-633EVK – enlace de pedido en Marketplace: aquí) resulta especialmente útil para evaluar el módulo y ayuda a acelerar el desarrollo de cualquier aplicación. El SDK proporciona todos los drivers relacionados con la placa, lo que permite a los fabricantes de dispositivos centrarse en el firmware de su aplicación. El kit de evaluación del módulo admite todas las funcionalidades del Type 1WL, entre ellas:
- todos los sistemas de radio son accesibles a través de conectores SMA (LoRaWAN, sniffing Wi-Fi, sniffing BLE y GNS),
- múltiples interfaces digitales, incluidas I2C, LPUART, UART y SPI,
- entradas/salidas de propósito general (GPIO) conectadas a un conector de estilo Arduino, botones y LED,
- circuito avanzado de gestión de alimentación con regulador de baja caída (LDO) y cargador, compatible con fuente de CC externa, batería primaria o batería secundaria,
- acelerómetro y sensor de presión de sistema microelectromecánico (MEMS) conectados a la interfaz I2C,
- 3 puertos para alimentar la placa,
- interfaces ST-LINK para la salida de datos.
Figura 4: Kit de evaluación del módulo Type 1WL. (Fuente: Murata)
La actualización de firmware es otro aspecto especialmente complejo para los trackers que llegan a producción en serie, sobre todo cuando están diseñados para operar sobre LPWAN. Además, en virtud del Reglamento de Ciberseguridad de la UE, los dispositivos IoT deben poder actualizarse en campo.
El SDK del Type 1WL proporciona un bootloader integrado, pero en muchos casos de uso también será necesario ampliarlo con funciones opcionales, como la difusión optimizada de actualizaciones de firmware (LoRaWAN FUOTA) con compresión delta, o la actualización de firmware desde una aplicación móvil. El entorno de desarrollo completo del SDK 1WL ofrece opciones para este tipo de actualizaciones de última generación, incluidos servidores de actualización de firmware que también pueden utilizarse para la aplicación de usuario.
Conclusión: impulsar la innovación en geolocalización y simplificar el desarrollo IoT
Llevar al mercado un tracker multitecnología de última generación en un plazo compatible con las exigencias del mercado puede parecer una tarea abrumadora. Sin embargo, los módulos preintegrados como el Type 1WL lo facilitan mediante herramientas de desarrollo avanzadas, documentación completa y sólidos recursos de soporte. Estos elementos agilizan el proceso de integración y desarrollo, lo que permite a los fabricantes acelerar el tiempo de comercialización y reducir tanto la complejidad como el riesgo asociados al desarrollo de dispositivos IoT.
Las empresas, especialmente aquellas con experiencia limitada en tecnologías inalámbricas o geolocalización, encontrarán estos nuevos módulos especialmente beneficiosos. Además, el uso de este tipo de módulos puede aportar una optimización significativa de costes al reducir la superficie ocupada en el PCBA, simplificar el proceso de ensamblaje y disminuir la complejidad de las pruebas en producción en serie.
