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Todo lo que necesita para un sistema de gestión de batería

ZigBee y WLAN

A la hora de poder controlar persianas enrollables, equipos de aire acondicionado o sistemas de iluminación mediante un teléfono inteligente o un asistente virtual (VPA) como Alexa, Siri, Google Assistant, Bixby o Cortana, y otros dispositivos, como detectores de humo, despertadores o cámaras de vigilancia, todos ellos forman un sistema que se suele conectar a través de interfaces de los proveedores de servicios en la nube (“cloud”). Usando estas interfaces, un radiodespertador puede, vía una red WiFi, recibir música desde internet para despertarnos por la mañana y enviar una señal a Alexa para aumentar gradualmente la intensidad de la luz de la habitación. La comunicación entre el VPA y la fuente de luz se suele llevar a cabo mediante un gateway WLAN ZigBee o, directamente, con WiFi. La ventaja de esta solución es que las bombillas WiFi eliminan la necesidad de un dispositivo extra y se conectan al router WiFi del hogar.

Los inconvenientes se encuentran en un nivel relativamente alto del consumo de energía en reposo (standby ) y un tráfico de datos adicional en la red WLAN. En casas “muy inteligentes”, esto puede provocar una situación donde la velocidad de datos disponible no sea suficiente. Como consecuencia, algunos fabricantes usan el protocolo ZigBee Light-Link. Consume menos energía que una conexión WiFi y no carga la red WiFi con datos adicionales. Sin embargo, en comparación con tecnologías inalámbricas como ANT o Bluetooth 5, el nivel de consumo todavía resulta relativamente alto. Además, una red ZigBee ocupa 5 MHz en la banda de frecuencia de 2,4 GHz con ancho de 80 MHz. Esto permite trabajar con tres redes WiFi o dieciséis redes ZigBee en paralelo, así como con combinaciones de ambas, por ejemplo, dos WiFi y cinco ZigBee. La presencia de muchas redes puede provocar un solapamiento de frecuencia y, por lo tanto, una caída en el rendimiento; y durante un periodo breve de tiempo, incluso puede producir un corte en el servicio.

Thread

El protocolo thread está empezando a aparecer cada vez más aplicaciones para hogares inteligentes. Como soporta el protocolo de Internet versión 6 (IPv6), proporciona muchas ventajas con respecto al direccionamiento local y restringido. Detrás de este protocolo se encuentran los cerebros del Thread Group, una organización sin ánimo de lucro cuyos miembros son algunas de las mayores compañías de ingeniería. También están disponibles algunas alianzas para los perfiles de aplicación, incluyendo la alianza ZigBee con su solución punto a punto (“dotdot”). Se trata de un tipo de lenguaje universal para internet. Si el radiodespertador tiene capacidad para controlar dispositivos de varios fabricantes – y, por ejemplo, también puede encender el televisor para ver nuestro programa matinal favorito – se recomienda integrar el protocolo thread desde el principio y así garantizar la interoperabilidad en el futuro, al menos en lo que se refiere a los requisitos de hardware.

Bluetooth

Con Bluetooth 5, el Bluetooth Special Interest Group también ha introducido modos operativos que son más que interesantes para las aplicaciones de hogar inteligente (“ smart home”) : Así, el modo de 2 Mbps permite la transmisión de señales de vídeo, por ejemplo, desde la cámara de un robot cortacésped o el sistema de monitorización de la puerta de entrada. Los modos de 500 kbps y 125 kbps ayudan a incrementar la potencia de transmisión y una mayor codificación de los bits individuales, garantizando que las señales inalámbricas se pueden enviar a varios cientos de metros y “atravesar” paredes. A diferencia de las tecnologías basadas en IEEE802.15.4, como ZigBee y Thread, Bluetooth 5 ya se encuentra disponible en los actuales Smartphones y, por lo tanto, también resulta ideal para la conexión directa al teléfono inteligente.

Una característica adicional del Bluetooth 5 con respecto a Bluetooth 4.0 llega con el protocolo Bluetooth Mesh 1.0 como un nivel intermedio para soportar grandes redes con numerosos dispositivos. Este protocolo Bluetooth también cuenta con el respaldo de la compatibilidad con Smartphones, un consumo de energía relativamente bajo y mínima latencia gracias a una estructura por desbodamiento (“flooded”) en lugar de una estructura mallada (“mesh”) basada en direccionamiento (“routing”) .

ANT y EnOcean

Si usted desea dar un paso más, el radiodespertador no sólo hará sonar su música favorita y dará la orden de aumentar la luz, sino que lo llevará a cabo en el momento ideal. Esto lo determina con la ayuda de un reloj inteligente (smartwatch) o fitness tracker, que se encuentra “informado” de la fase de sueño a través de la medición de pulso y movimiento. Para que la alarma del reloj tenga acceso a estos dispositivos, necesita el protocolo ANT. Y como esto ya se ha consolidado en estos dispositivos; sólo unas pocas excepciones trabajan con Bluetooth. Esta es la razón por la que ANT resulta la tecnología inalámbrica más económica para sensores en cercanía – y, por ende, es perfecta para todas las aplicaciones que funcionan con pilas de botón o pequeños dispositivos de almacenamiento de energía similares durante meses y años, sin tener que cargar ni cambiar las baterías. Sólo el estándar EnOcean sub-GHz aporta mayor ahorro de energía. El protocolo no es tan eficiente como ANT, pero gracias a las extensiones de acumulación patentadas para el uso de energía cinética con interruptores, energía solar o diversos tipos de energía térmica, la tecnología inalámbrica EnOcean lo hace todo posible sin la necesidad de un sistema de almacenamiento separado. Los interruptores EnOcean se pueden encontrar, por ejemplo, en las casas prefabricadas de Weber. También se puede emplear una llave de luz actual para “decirle” al radiodespertador que usted está a punto de irse a la cama a dormir y poner en marcha un temporizador de sueño.

NFC

Sin embargo, si un dispositivo cuenta con todas estas tecnologías inalámbricas, parece que no será fácil de utilizar. Como los usuarios finales tienen que instalar todas las conexiones en sus dispositivos y sistemas, la comunicación de campo cercano – Near Field Communication (NFC) es de gran ayuda en esta situación. Así, los clientes sólo necesitan un Smartphone y tocar cada dispositivo para que se conecte una sola vez para la configuración en la red.

Todo en un módulo

Por lo tanto, los desarrolladores se enfrentan al reto de integrar todos estos estándares inalámbricos en su aplicación. Con el nRF52840 Systemon- Chip (SoC) de Nordic Semiconductor, es una tarea muy sencilla: La solución “todo en uno” no sólo ofrece un microcontrolador potente con unidades inalámbricas para ZigBee, Thread, Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT y NFC, sino que también dispone de un puerto USB. Además, existen convertidores A/D (ADC) para evaluar otros sensores, encriptar la transmisión de datos y proteger áreas de memoria. De hecho, el SoC es sólo algo más caro que una solución ZigBee sencilla.

El corazón del nRF52840 es un procesador ARM® Cortex™ M4F de 32 bits que opera a 64 MHz. Su memoria on-Chip (1 MB de Flash y 256 kB de RAM) aporta suficiente espacio para múltiples protocolos inalámbricos simultáneos. El SoC también destaca por medición RSSI de alta resolución y funciones como EasyDMA, que reduce la carga del procesador y permite un acceso directo a la memoria. A la hora de disminuir los requisitos de potencia, todos los componentes periféricos cuentan con gestión de reloj y consumo que garantiza que se apagan cuando no están en uso. El coprocesador criptográfico ARM® CryptoCell-310 ofrece un alto grado de seguridad. Soporta un generador de números aleatorios y muchos servicios criptográficos asimétricos, simétricos y hash. El coprocesador también acelera las operaciones, ahorra tiempo de procesamiento de CPU y reduce el consumo de energía. El nRF52840 es compatible “on-air” con los productos de las series nRF24, nRF51 y nRF52 de Nordic Semiconductor.

Cualquier persona que eche de menos la gran ventaja de EnOcean puede usar un módulo basado en nRF52 que es compatible con los módulos de acumulación de energía EnOcean. Este modelo, al igual que otras muchas soluciones para el resto de tecnologías inalámbricas, se encuentra disponible en Rutronik, cuyos expertos ofrecen soporte al cliente a la hora de elegir la solución ideal para cada aplicación.

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