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Nodos más inteligentes para garantizar la integridad de la infraestructura del IdC

Mark Patrick

Mark Patrick, Mouser Electronics

La infraestructura del Internet de las cosas (IdC) puede verse comprometida por varios motivos. En primer lugar, cabe la posibilidad de que los nodos del IdC sufran daños durante los envíos o el transporte, antes de su instalación. A continuación, pueden verse expuestos a condiciones adversas a causa del entorno de aplicación en el que se utilicen, como situaciones de calor extremo, humedad elevada o fuerzas vibratorias, que pueden suponer una amenaza para su funcionamiento a largo plazo. Por otra parte, podrían resultar vulnerables tanto a ataques físicos perpetrados por personas con malas intenciones como a una sucesión de diferentes tipos de violaciones de la seguridad.

Se suele decir que la resistencia de una cadena viene determinada por su eslabón más débil. Sin embargo, esta máxima no resulta necesariamente aplicable a todos los tipos de infraestructuras del IdC, en especial a las que utilizan redes de malla. El hecho de que dispongan de múltiples nodos y capacidades de autorregeneración no significa necesariamente que cuenten con las redundancias adecuadas en caso de que falle un nodo terminal. Si tenemos en cuenta la gran cantidad de dispositivos del IdC desplegados a escala mundial, garantizar la integridad continua de la red es una tarea hercúlea. Según una reciente investigación dirigida por MarketsandMarkets, el número de nodos y pasarelas del IdC en funcionamiento superará los 17 000 millones de unidades en 2023, si bien otros analistas pronostican que podría ser incluso superior.

Dado el calado del despliegue previsto para las redes del IdC a corto plazo, los nodos que las forman deben ganar en inteligencia. Tendrán que ser capaces de realizar autocomprobaciones, monitorizar sus circuitos para identificar cualquier indicio de avería y garantizar la integridad de los datos recogidos y transmitidos. Pensemos, por ejemplo, en un nodo del IdC equipado con un acelerómetro y que sufra una caída durante un envío. El acelerómetro capturaría los datos de la caída y el impacto y, a continuación, haría que la unidad del microcontrolador (MCU) realizara cálculos para determinar la orientación del paquete al chocar contra el suelo (por ejemplo, sobre una cara, sobre la arista o sobre el vértice). Con esa información, sería posible determinar si el paquete ha sufrido daños y, en tal caso, transmitir la información a través de la pasarela del IdC para informar al proveedor o al cliente de la necesidad de sustituirlo. Al diseñar nodos con esta capacidad, los ingenieros deben tener en cuenta elementos clave, como la MCU, la memoria, la gestión de la alimentación y la conectividad inalámbrica, así como los sensores implicados. En el artículo siguiente nos centraremos específicamente en las MCU modernas capaces de integrar funciones de autodiagnóstico para ayudar a detectar si un nodo se corrompe o daña y, a continuación, empezar a adoptar las medidas adecuadas.

La mayor parte de las aplicaciones del IdC actuales utilizan MCU de 16 o de 32 bits, en función de la complejidad del nodo, la alimentación disponible y la velocidad de transmisión de datos deseada. En el caso de los nodos terminales o los dispositivos de pasarela que deben ejecutar algoritmos sofisticados, normalmente se optará por una MCU de 32 bits. La seguridad del cifrado (como AES-256) también es un requisito esencial para los nodos del IdC modernos.

MCU de 16 bits con gestión eficiente del consumo

La gama PIC24E de Microchip integra una MCU de 16 bits de alto rendimiento para uso general con una alta densidad de código y con velocidades de hasta 70 MIPS a 3,3 V. Estos dispositivos ofrecen comunicación CAN, amplificadores operacionales integrados, control de motores, USB OTG, rendimiento superior de los ADC y rápido movimiento de datos a través de canales DMA. Están disponibles en tamaños reducidos (de hasta 5 mm x 5 mm) con memoria ampliable (hasta 536 kB) y límites de temperatura más elevados (hasta 150 °C en algunas opciones).

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Ilustración 1: MCU MSP430 de Texas Instruments.

Las MCU de consumo ultrabajo de la serie MSP430 de Texas Instruments están disponibles en más de 25 configuraciones distintas que incluyen diferentes conjuntos de periféricos para abordar diversas aplicaciones. Incorporan una potente CPU RISC de 16 bits, hasta 512 kB de memoria flash y 64 kB de memoria RAM, registros de 16 bits y mecanismos para maximizar la eficiencia del código. Sus osciladores controlados digitalmente les permiten pasar del modo de bajo consumo al modo activo en menos de 6 µs. Estas MCU, que están respaldadas por un amplio catálogo de sensores e instrumentos de medición, integran periféricos analógicos y digitales para reducir los costes de materiales, simplificar el diseño y mejorar el rendimiento. Abarcan funciones como conversores de datos, amplificadores operacionales, comparadores y temporizadores para periféricos más avanzados, como sensores táctiles capacitivos y sensores ultrasónicos. Estas MCU ofrecen siete modos de bajo consumo de <100 μA/MHz, retención de RAM de 0,1 μA y modo RTC de <1 μA (con lo que la vida de la batería puede superar los 20 años).

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Ilustración 2: Productos ADuCM3027/ADuCM3029 de Analog Devices.

MCU de 32 bits diseñadas para el IdC

Las MCU de consumo ultrabajo ADuCM3027 y ADuCM3029 de Analog Devices incorporan núcleos de procesadores ARM Cortex-M3 de 32 bits muy fáciles de configurar para obtener unas características óptimas de rendimiento y consumo, al tiempo que ofrecen las funciones esenciales de seguridad y fiabilidad que cabe esperar de los despliegues del IdC. Estos dos modelos solo se diferencian en la capacidad de la memoria flash, que es de 128 kB y 256 kB, respectivamente (con cifrado ECC incorporado en ambos casos). Estas MCU se han diseñado para aplicaciones de los sectores de la atención sanitaria, la automatización de edificios y fábricas, la agricultura inteligente y la energía inteligente, y han obtenido una puntuación ULPBench de 245,5 (basada en evaluaciones del Embedded Microprocessor Benchmark Consortium, o EEMBC). Las características de consumo incluyen un modo activo (todo activo) a <30 μA/MHz (típico), un modo flexible (núcleo en suspensión y periféricos activos) a <300 μA (típico) y un modo de hibernación (con retención de SRAM) a <750 nA (típico). El cifrado acelerado habilitado por los numerosos mecanismos de protección de hardware y software se traduce en una sólida protección contra lectura para impedir que los usuarios no autorizados lean el contenido del dispositivo. Además, la protección contra escritura incorporada en la placa impide reprogramarlos con un código que no sea legítimo. El control de la tensión del modo en espera y la corrección de errores para la memoria flash contribuyen a aumentar la fiabilidad evitando corrupciones que podrían provocar problemas operativos o averías del sistema.

Las MCU de 32 bits LPC540 de NXP Semiconductors combinan un núcleo ARM Cortex-M4 de 180 MHz con una singular arquitectura de bajo consumo, capacidades avanzadas de interfaz hombre-máquina (HMI) y periféricos de comunicación flexibles para ofrecer un excelente rendimiento en tiempo real para la próxima generación de infraestructuras del IdC. Gracias a la flexibilidad que les aportan la interfaz flash cuádruple SPI, el módulo CANbus, el controlador LCD gráfico y hasta 11 canales para FlexComm, pueden adaptarse a medida que evolucionan los requisitos. La compatibilidad entre los diferentes modelos de la serie proporciona una trayectoria de migración perfecta para ampliar la potencia de procesamiento o añadir nuevos periféricos. Estos dispositivos están disponibles en los paquetes TFBGA180, TFBGA100, LQFP208 y LQFP100, y ofrecen hasta 360 kB de SRAM, una interfaz flash cuádruple SPI, compatibilidad para conectividad Ethernet, un controlador LCD TFT y dos módulos CAN FD. Consiguen un interesante equilibrio entre integración funcional y consumo eficiente, con una corriente en modo activo de 100 µA/MHz.

Todas las MCU Synergy S3A1 de Renesas están equipadas con un núcleo de CPU ARM Cortex-M4 de 48 MHz y 32 bits, unidad de punto flotante (FPU) y un sinfín de funciones analógicas y de seguridad. Estas MCU cuentan con una memoria flash de código de 1 MB, una memoria flash de datos de 8 kB y una memoria SRAM de 192 kB. Sus funciones, contactos e IP son compatibles con los de otros modelos de MCU Synergy, lo que proporciona una mayor capacidad de ampliación y de reutilización del código para acelerar el proceso de desarrollo del hardware y el software. Diseñadas para aplicaciones de monitorización (por ejemplo, estaciones meteorológicas de exterior) que pueden precisar de actualizaciones continuas de las funciones para múltiples servicios, estas MCU están disponibles con varias densidades de memoria y en diferentes tamaños de paquetes y contactos.

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Ilustración 3: STM32L4 de STMicroelectronics.

Todos los productos de la gama de MCU y FPU STM32L4 de STMicroelectronics son dispositivos de consumo ultrabajo basados en el núcleo RISC ARM Cortex-M4 de 32 bits. Estos núcleos, que funcionan a frecuencias de hasta 80 MHz, incorporan una FPU de formato de precisión simple, que admite todo tipo de datos y las instrucciones de procesamiento de datos de precisión simple ARM. También cuentan con el conjunto completo de instrucciones DSP, además de una unidad de protección de memoria que mejora la seguridad de las aplicaciones. Esta gama se basa en una nueva plataforma de consumo ultrabajo dotada de FlexPowerControl. Gracias a sus niveles de consumo optimizados, consigue una puntuación ULPBench según EEMBC de 150 en la categoría ULPBench-CP. Las MCU de esta familia ofrecen hasta 2 MB de memoria flash (doble banco) y hasta 640 kB de SRAM, además de 100 DMIPS/273 CoreMark a 80 MHz gracias al acelerador ART desarrollado por la empresa. El rendimiento del conjunto del sistema se optimiza utilizando una matriz de buses multi-AHB y controladores DMA. El modelo STM32L4 se puede utilizar para sustituir diseños actuales basados en el módulo STM32F4 y conseguir funcionalidad de bajo consumo. Presenta compatibilidad contacto a contacto, por lo que no es necesario realizar cambios en la distribución de la placa.

MCU en formatos más pequeños

La MCU PSoC 6 de Cypress Semiconductors ofrece procesamiento integral de alto rendimiento y funciones de seguridad esenciales diseñadas específicamente para las aplicaciones del IdC. Se basa en una tecnología de procesamiento de 40 nm de consumo ultrabajo y emplea una arquitectura de doble núcleo en la que un núcleo ARM Cortex‑M4 se encarga de las actividades de alto rendimiento‑ y un núcleo ARM Cortex‑M0+ ejecuta las tareas de consumo reducido. El consumo activo es muy bajo, de tan solo 22 μA/MHz en el caso del núcleo M4 y 15 μA/MHz en el caso del núcleo M0+. La flexibilísima arquitectura de la MCU permite incorporar funciones, como USB, Bluetooth de baja energía (BLE, por sus siglas en inglés) y muchos otros periféricos definidos por software‑ para crear front-ends analógicos (AFE) personalizados y circuitos de interfaces digitales preparados para diseños del IdC en los que es necesario dar cabida a varios protocolos de conectividad. Además, en este dispositivo se incluyen algoritmos criptográficos simétricos y asimétricos estándar del sector, entre los que se incluyen los cifrados ECC y AES, así como algoritmos hash seguros (SHA 1, 2, 3).

La familia de sistemas en paquete (SIP, por sus siglas en inglés) LoRa que funcionan a frecuencias inferiores a 1 GHz SAM R34 de Microchip incluye una MCU de 32 bits de alto rendimiento y consumo ultrabajo, un transceptor LoRa y una pila de software, lo que permite reducir sustancialmente el plazo desde la concepción hasta el lanzamiento al mercado de los diseños para el IdC. Estos dispositivos incorporan diseños de referencia certificados y ofrecen interoperabilidad demostrada con los principales proveedores de pasarelas y redes LoRaWAN. El procesador SoC multiprotocolo nRF52840 de Nordic Semiconductor es una solución de un solo chip muy flexible y de consumo ultrabajo idónea para aplicaciones inalámbricas de corto alcance. El transceptor integrado de 2,4 GHz admite Bluetooth 5/BLE, 802.15.4/Thread, ANT/ANT+ y protocolos propios de 2,4 GHz. En transmisión es compatible con las series nRF52, nRF51 y nRF24 de la compañía. La función multiprotocolo dinámica de este dispositivo ofrece conectividad inalámbrica simultánea mediante Bluetooth 5 y Thread, y garantiza que estos protocolos compartan el tiempo de funcionamiento del hardware de radio, lo que permite que los dos se mantengan conectados. Este SoC se basa en una CPU ARM Cortex-M4F de 32 bits y 64 MHz con una memoria flash de 1 MB y una RAM en chip de 256 kB. La configuración de esta CPU admite instrucciones DSP, cálculos de FPU acelerados por hardware, multiplicación y acumulación de ciclo único, así como división por hardware para el procesamiento de operaciones complejas con un consumo reducido.

Gestiona el consumo y los recursos para maximizar la vida útil de la batería. Gracias a su intervalo de tensión, que va de 1,7 V a 5,5 V, admite tecnologías de baterías de celdas primarias y secundarias, además de alimentación directa por USB sin necesidad de reguladores externos. Este dispositivo incorpora un amplio abanico de funciones de gestión automatizada y adaptativa de la alimentación que se integran en todos los aspectos de su funcionamiento, desde el encendido de la fuente de alimentación hasta la gestión de los buses de periféricos y la memoria de EasyDMA, con apagado automático de todos los periféricos salvo los absolutamente esenciales para realizar una tarea.

Dado el aumento sustancial previsto en la cantidad de nodos del IdC desplegados en los próximos años, cada vez resulta más importante conseguir que todos funcionen correctamente de forma ininterrumpida. Los dispositivos MCU comentados en este artículo sugieren que los ingenieros de diseño ya están empezando a acceder a la innovadora tecnología de semiconductores a partir de la cual lograrán materializar esos objetivos.

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