El Internet de las Cosas (Internet-of- Things, IoT) permite aumentar la productividad, el control y la eficiencia, además de potenciar un número casi ilimitado de mercados y aplicaciones finales. El IoT ha recibido una gran atención en mercados que no han venido empleando tecnologías avanzadas, especialmente cuando esas tecnologías requieren conectividad.
En aplicaciones industriales y de consumo, las áreas esenciales de la detección, el procesamiento, la actuación y la conectividad son fundamentales para los diseños en IoT. Las soluciones modulares de tipo plug-and-play para cada área, cuando están disponibles, pueden acelerar y facilitar notablemente el desarrollo de nuevos diseños en aplicaciones como viviendas inteligentes / edificios inteligentes, bienestar y seguimiento de activos, por citar algunos de ellos. Esto es especialmente importante si entre las soluciones modulares se encuentran herramientas de desarrollo a medida que, cuando sea necesario, estén previamente certificadas para los estándares normativos internacionales y los requisitos de los protocolos correspondientes. La conectividad es uno de los aspectos más complicados ya que existe un enorme número de protocolos cuya relevancia depende de las características de cada aplicación. Gracias a su infraestructura incorporada y a su conectividad de largo alcance, Sigfox™ se ha convertido en una de las más útiles. Sin embargo, para muchos diseñadores potenciales de soluciones IoT, Sigfox representa una nueva tecnología, por lo que facilitar su adopción es clave para la proliferación del IoT.
Dificultades de las aplicaciones IoT
Existen más de 31.000 millones de dispositivos (“cosas”) conectados a IoT y cada día se añaden miles de ellos. En conjunto, estos dispositivos aportan un cambio enormemente positivo para consumidores y empresas de todo el mundo. En las viviendas, el control automatizado de la iluminación permite ahorrar energía y aporta seguridad, mientras que los timbres remotos permiten a los usuarios “estar en casa” desde cualquier lugar del planeta siempre que dispongan de acceso a Internet. Las empresas, por su parte, pueden supervisar cada detalle en fábricas o instalaciones de todo tipo ya que el suministro de datos mejorará más que nunca la eficiencia operativa. Las empresas que gestionan equipos en lugares remotos pueden supervisar el funcionamiento desde la comodidad de sus oficinas, eliminando así el coste de las visitas para realizar inspecciones periódicas.
Gracias a la potenciación del análisis de datos, la supervisión en tiempo real, el mantenimiento predictivo y otras propuestas de gran valor, las ventajas del IoT se están haciendo realidad. No obstante, muchas de las características que hacen que los dispositivos IoT sean tan prácticos y portátiles, como su pequeño tamaño, conectividad y capacidad para su uso remoto también representan dificultades significativas para los diseñadores. Si bien los dispositivos son lo bastante pequeños como para instalarlos en espacios pequeños, un nodo IoT necesita ofrecer una elevada funcionalidad. Generalmente, esto exigiría incorporar un microcontrolador que gestione el sistema y procese los datos, varios tipos de sensores dependiendo de lo que se va a medir o supervisar, y criptografía para asegurar el almacenamiento y la transmisión segura de todos los datos sensibles.
También se necesita una fuente de alimentación y, si bien muchos dispositivos IoT se instalan en viviendas, oficinas o fábricas en las que hay acceso a la red eléctrica, a menudo se alimentan mediante una batería por razones prácticas. Como es natural, todos los dispositivos IoT utilizados en lugares remotos sin acceso a la red eléctrica se alimentan mediante baterías. Las limitaciones de tamaño, así como la energía finita que suministra la batería, significan que los diseñadores tienen ante sí diversos obstáculos por superar para seleccionar y desarrollar con componentes pequeños y de muy bajo consumo, y crear sofisticados algoritmos de gestión de alimentación con el fin de no desperdiciar la valiosa energía.
Retos para la conexión de dispositivos IoT
Otra dificultad relacionada con los dispositivos IoT consiste en proporcionar una interfaz de comunicaciones que es fundamental para conectar el nodo a IoT. Se trata de un área relativamente especializada que exige por parte de los diseñadores seleccionar el protocolo o protocolos más apropiados dentro de la enorme variedad disponible. Algunos protocolos son propietarios y se dirigen a aplicaciones muy concretas, mientras que otros como Bluetooth® y Wi-Fi se han implementado de forma generalizada, si bien en aplicaciones de corto alcance. Hasta hace poco, la tecnología celular era uno de los pocos métodos disponibles para conectar nodos situados fuera del alcance de otras tecnologías inalámbricas de corto alcance como Bluetooth®.
Sin embargo, la tecnología celular fue creada para comunicaciones de voz y para la transmisión de datos a alta velocidad, por lo que su consumo de energía es relativamente elevado y resulta inadecuada para las comunicaciones sencillas de máquina a máquina (Machine-to-Machine, M2M) que caracterizan a IoT. Sigfox es un sistema de tipo celular cuyo objetivo es ofrecer comunicaciones de bajo consumo, largo alcance, bajo coste y para una baja velocidad de transmisión de datos entre dispositivos conectados de forma remota, especialmente nodos IoT. La red Sigfox, que se dirige a comunicaciones M2M sencillas, facilita la conectividad a largas distancias, muy superiores a las que puede lograr por sí solo un simple transmisor de bajo consumo. La red emplea la tecnología de banda ultraestrecha (Ultra-Narrow Band, UNB), caracterizada por su baja potencia de transmisión y fiabilidad de conexión. Sigfox, que fue diseñada para adaptarse prácticamente a cualquier aplicación IoT, presenta pocas limitaciones y, dado que la aplicación no necesita enviar más de 140 mensajes de doce bytes al día y puede manejar 100 bits por segundo, proporciona una solución de conectividad fiable, de bajo consumo y de bajo coste. No obstante, a diferencia de protocolos de comunicación tan extendidos como Bluetooth, los conocimientos relacionados con Sigfox se consideran relativamente un “nicho”. Esto exige un gran esfuerzo de aprendizaje a los ingenieros para el diseño y la implementación con éxito de una interfaz de comunicaciones basada en Sigfox, lo cual crea una barrera tecnológica de entrada para las compañías orientadas hacia el mercado de IoT remoto.
Solución Sigfox modular que elimina las barreras de diseño
ON Semiconductor está presente en este sector y ha anunciado recientemente un SiP (System in Package) transceptor de RF Sigfox programable que integra un SoC (System-on-Chip) avanzado de RF con todos los componentes externos necesarios (incluyendo un oscilador TCXO), creando así una oportunidad para simplificar y acortar el proceso de diseño y certificación. El SiP AX-SIP-SFEU ofrece conectividad Sigfox entre el dispositivo y la nube, incluyendo el enlace ascendente y descendente para aplicaciones IoT remotas mediante comunicación Sigfox LPWAN. El SiP incorpora un CI de radio Sigfox, componentes discretos de adaptación de RF, todos los componentes pasivos necesarios y el firmware, todo ello en un solo encapsulado. Dado que la solución ha sido previamente certificada para CE y tiene la certificación Sigfox Verified, gracias a la amplia experiencia de ON Semiconductor, los diseñadores pueden estar seguros de disponer de una solución completa, de alta calidad y totalmente integrada. El encapsulado en miniatura de 7 mm x 9 mm x 1 mm con revestimiento de protección permite el uso del AX-SIPSFEU en aplicaciones IoT remotas y en espacios reducidos.
De hecho, el dispositivo es la solución Sigfox Verified más compacta del mercado, lo cual asegura que los diseñadores puedan superar los retos que, desde el punto de vista del espacio físico, representa el diseño de nodos IoT remoto. El tamaño en miniatura resulta especialmente adecuado para dispositivos vestibles (wearables), etiquetas para seguimiento de activos o para cualquier aplicación que necesite una pequeña solución Sigfox. El consumo también se reduce significativamente con el AX-SIP-SFEU ya que su diseño incorpora modos de bajo consumo (standby, sleep y deep sleep) para ahorrar energía cuando no transmite. En estos modos absorbe corrientes de 0,55 miliamperios (mA), 1,2 microamperios (μA) y 180 nanoamperios (nA), respectivamente, permitiendo así que el dispositivo se alimente con una pila de tipo botón (CR2032). Otra alternativa es optar por técnicas de captura de energía, eliminando así la necesidad de cualquier tipo de batería, gestión o sustitución.
Uno de los aspectos más exigentes de cualquier diseño de radio, especialmente cuando se diseña por primera vez, es su homologación. El SiP AX-SIP-SFEU tiene la certificación Sigfox Verified para la red de zona RC1, lo cual significa que está certificado para cumplir las especificaciones de RF y de protocolo del estándar, lo cual garantiza su interoperabilidad. Además, el dispositivo ha obtenido la certificación CE, lo cual verifica que cumple los estándares de protección de la salud, la seguridad y el medio ambiente para los productos comercializados dentro del Espacio Económico Europeo.
Resumen
Si bien IoT ofrece enormes ventajas y oportunidades, el pequeño tamaño y la complejidad de los nodos genera importantes dificultades a los ingenieros de diseño. Estos no solo deben cumplir las limitaciones de tipo físico y los requisitos de bajo consumo, sino que también tienen que asegurar que las comunicaciones de RF incluidas en el diseño cumplan los estándares internacionales, lo cual añade tiempo, coste y riesgo al proceso de diseño. Esto es especialmente importante para dispositivos remotos que necesiten conectividad inalámbrica de largo alcance y una solución más económica que la que pueden proporcionar las redes celulares. Gracia a los módulos previamente certificados, de tamaño extremadamente reducido y de muy bajo consumo como el AX-SIP-SFEU de ON Semiconductor, ahora los diseñadores están en condiciones de diseñar nodos IoT con la confianza de que pueden implementar un sistema de comunicaciones de RF previamente certificado de forma sencilla y con un nivel de riesgo prácticamente nulo, eliminando así una de las barreras tecnológicas más importantes para el diseño de IoT.
