Guía de operaciones de conectividad inalámbricas para la Internet de las cosas (IoT)

En la búsqueda por conectar y agregar inteligencia de negocios a un producto, la gran variedad de opciones de conectividad puede ser abrumadora. Aunque muchas tecnologías tienen un papel en el ecosistema de IoT (por ejemplo, componentes, infraestructura, aplicaciones, servicio y análisis), este artículo resume algunas de las tecnologías más relevantes y le da elementos para reflexionar cuando considere cada una de ellas.

Antes de adentrarnos en los atributos de tecnologías inalámbricas específicas, debemos retroceder y considerar la aplicación desde una perspectiva comercial y técnica. ¿Cómo se implementa el producto actualmente? ¿Qué mejoras se buscan? ¿Qué está haciendo la competencia? ¿Se pueden obtener eficiencias adicionales?

REQUISITOS COMERCIALES

Se deben examinar los requisitos comerciales del producto o servicio tempranamente en el ciclo de desarrollo y definitivamente mucho antes de diseñar el hardware. Si existe un mercado nicho limitado o el periodo para lograr el rendimiento de la inversión (ROI) es demasiado largo, sin importar lo buena que sea la idea del producto, un sólido éxito financiero puede no ser alcanzable.

Los siguientes son algunos puntos que debe considerar antes de comenzar a desarrollar IoT:

• ¿A cuáles segmentos del mercado se venderá el producto?

• ¿Cuál nivel de penetración del mercado se debe alcanzar para llegar al ROI deseado?

• ¿La fecha de lanzamiento debe estar dentro de un cierto margen de tiempo (p. ej., productos de temporada)?

• ¿Cuál es el modelo de negocios?

o Solo hardware (costo inicial y único de la compra de hardware/servicio)
o Basado en una suscripción (hardware proporcionado de forma gratuita con una tarifa de suscripción recurrente) o una mezcla de hardware + suscripción (hardware proporcionado a un costo o precio con descuento además de una tarifa de suscripción recurrente)

• ¿Demografía del mercado objetivo?

• ¿Panorama competitivo? 

REQUISITOS DE LA APLICACIÓN

Desde una perspectiva técnica, los parámetros que pueden influir en las opciones de conectividad para una aplicación específica son:

• Tamaño: ¿Cuánto espacio puede ocupar la solución inalámbrica?

• Requisitos del procesador host: ¿Puede una aplicación ejecutarse en el dispositivo inalámbrico en sí? Si se requiere un procesador host, ¿están los controladores fácilmente disponibles?

• Energía: ¿Reducir al mínimo el consumo de energía es un factor importante? De ser así, ¿la solución admite varias opciones de modo de suspensión? ¿Cuál es el consumo de energía cuando se asocia con una red inalámbrica, listo para recibir datos, pero en estado inactivo (importante para dispositivos alimentados con batería conectados a la nube?

• Ancho de banda/rendimiento: ¿Cuáles son las tasas de transferencia de datos necesarias para apoyar la aplicación?

• Distancia: ¿La aplicación se vería positiva o negativamente afectada por un límite de transmisión de la señal inalámbrica?

• Seguridad de los datos: ¿El módulo en sí debe proporcionar cifrado de un extremo a otro o es suficiente la seguridad inalámbrica nativa para satisfacer los requisitos de la aplicación?

• Calidad del servicio (QoS). ¿La aplicación incluye intercambios de datos sensibles a la latencia que se beneficiarían del acceso multimedia prioritario?

• Infraestructura: ¿Se sabe que un punto de acceso de red inalámbrico o red está fácilmente disponible?

• Certificación reglamentaria: ¿Se exigen certificaciones de PTCRB, FCC, IC, CE o dependiente de la industria?

• Estándares de la industria: ¿Se exige conformidad para interoperabilidad con productos similares?

  ESFUERZO/TIEMPO/COSTO DE DESARROLLO

  Aunque una empresa puede tener la experiencia de ingeniería adecuada dentro de su organización para desarrollar sus productos actuales, es posible que no tenga el conjunto de competencias para implementar una solución que integre una o varias tecnologías de radio. En algunos casos un análisis de ventajas y desventajas de la fabricación en comparación con la compra determinará que se debe adquirir un subsistema más completamente integrado de mayor costo, como un módulo, especialmente si el tiempo de lanzamiento al mercado es un factor esencial.

  CONSIDERACIONES DE IMPLEMENTACIÓN

  Lo bueno de muchas implementaciones de IoT es que un producto existente se puede reelaborar para agregar conectividad inalámbrica. La ventaja obvia es que se requiere una inversión relativamente pequeña, aunque a menudo termina siendo algo que para el cliente final parecer ser un producto completamente nuevo/actual con características y beneficios innovadores. Sin embargo, el desafío de trabajar con un producto existente consiste en que se debe trabajar dentro de los límites de un recinto existente y otros factores, como el suministro de energía. Las siguientes con algunas de las principales áreas que se deben considerar antes de seleccionar una tecnología inalámbrica específica.

  TÉCNICA

  ELECTROMECÁNICA INTERNA/EXTERNA

  Una decisión clave es si la solución de radio estará integrada en el producto o conectada a través de una interfaz externa. Una interfaz externa proporciona un mayor nivel de desacople entre el subsistema inalámbrico y el dispositivo. Esto puede tener un impacto favorable en la EMC, las aprobaciones reglamentarias, el rendimiento de RF y la futura ruta de migración. Adicionalmente, esta opción de implementación permite que los dispositivos implementados en terreno heredados obtengan una actualización en terreno, lo que permite ventas adicionales de hardware, al mismo tiempo que habilita servicios de conectividad de dispositivos e inteligencia empresarial. Una solución integrada tiene las ventajas del tamaño, la potencia, el costo y permite un acoplamiento más estrecho entre el subsistema inalámbrico y la aplicación host.

  INTERFAZ FÍSICA

  Algunas de las interfaces de datos que se admiten más comúnmente para los módulos inalámbricos son: SDIO, SPI, UART, USB y mini-PCI-e.

  TAMAÑO

  Los circuitos necesarios para implementar la conectividad inalámbrica están disponibles en una amplia gama de factores de forma: desde el pequeñísimo System-On-Chip (SoC) a paquetes Land-Grid-Array (LGA). Existe una serie de niveles de empaquetado que varios proveedores admiten para abordar diversos requisitos de dispositivo final. Con frecuencia los proveedores de soluciones de módulo ofrecen dispositivos compatibles con la superficie ocupada, lo que permite la migración de un dispositivo a otro con diversas características y opciones de rendimiento.

  PRESUPUESTO DE ENERGÍA

  Aunque frecuentemente se considera que los productos de IoT son alimentados por batería, muchos también son alimentados por una toma de corriente. En el caso de las aplicaciones alimentadas por una batería, la solución inalámbrica puede representar un porcentaje significativo del consumo de energía general de un dispositivo. La energía utilizada por el subsistema inalámbrico generalmente tiene especificaciones conformes con la energía utilizada en cada uno de los modos de operación: transmisión, recepción, espera. 

  Se debe tomar en cuenta la energía utilizada por el procesador host para administrar el subsistema inalámbrico. La energía total utilizada depende del modelo de conectividad y las tasas de transferencia de datos que requiere la aplicación final. Se deberá procurar que el subsistema de energía sea capaz de entregar las corrientes máximas requeridas durante la transmisión.

  Se debe considerar la operación en modo de espera. ¿El dispositivo inalámbrico necesita recibir datos de la red? De ser así, ¿debe ser de forma inmediata (por ejemplo en una aplicación de control) o puede determinarse un intervalo de sondeo de activación aceptable (por ejemplo en una aplicación de detección)?

  Muchas aplicaciones de IoT tienen la ventaja de extensos períodos de espera, cuando se produce un evento predeterminado (como cuando los datos del sensor pasan un umbral), activan el dispositivo inalámbrico para la transmisión. Por lo tanto es fundamental considerar la rapidez con la que el subsistema puede activarse y volver a conectarse a la red. Este aspecto es muy importante en redes malladas de ultra baja potencia en que se espera que las baterías duren de 10 años a toda la vida útil del producto. 

  ANTENA

  La antena es un elemento esencial para el rendimiento de un subsistema inalámbrico. Las características de la antena y la eficiencia radiada influirán considerablemente en el presupuesto del enlace RF de la solución completa. Por este motivo, los organismos reguladores que aprueban soluciones de módulo proporcionan dependencias específicas sobre el tipo de antena que se puede usar. Las antenas de uso más común son las antenas monopolo, dipolo y con chip. En algunos diseños la antena se implementa con rastreos en la PCB. Aunque las antenas externas generalmente son más efectivas, pueden incorporar desafíos.

  Otra decisión que se debe tomar es si implementar o no una diversidad de antenas (de modos que se puedan admitir varias tecnologías inalámbricas).

  Los productos inalámbricos deben conformarse a estándares internacionales para radiación intencional y no intencional. Se recomienda decididamente evaluar su diseño de producto y desarrollar una estrategia de antena de forma temprana en el ciclo de diseño para evitar las dificultades con las aprobaciones del producto posteriormente. A menudo es prudente utilizar un laboratorio de terceros (p. ej. Satimo) para que pruebe el rendimiento de la antena de forma imparcial. Estos terceros están bien equipados con costosos equipos de laboratorio para evaluar el rendimiento en un réplica cercana del entorno de uso final. Uno de los casos de usos más complicados de replicar es un producto que se lleva en el cuerpo.

  EMC

  El rendimiento de las radios en un producto puede degradarse por el ruido que generan circuitos cercanos. Mientras más bajo sea el nivel de integración, más atención será necesaria para utilizar buenas prácticas de RF para rutas de trazado, bypass y blindaje.

  COEXISTENCIA

  El rendimiento de las radios en un producto puede degradarse por otros circuitos de RF muy próximos. Especialmente cuando se combinan varios estándares RF en el mismo producto (como Bluetooth y Wi-Fi). Se debe prestar especial atención para asegurarse de que la tecnología proporciona mecanismos para ocuparse de la interferencia. Con frecuencia una solución modular aprobada previamente es el camino más fácil. 

  ENTORNO HOST

  La selección de una solución inalámbrica estará influida también por las propiedades del entorno host (posiblemente) existente.

  Una solución inalámbrica generalmente requiere firmware (FW) que se puede almacenar internamente en memoria de solo lectura (ROM), memoria flash o memoria de acceso aleatorio (RAM). El FW en sí generalmente es de código cerrado y no está disponible para modificarlo. La mayoría de los proveedores inalámbricos ofrecen controladores para múltiples opciones de sistema operativo (SO).

  Puede ser necesario realizar ajustes al paquete de soporte de la tarjeta (BSP) del proveedor para un procesador host específico. Por otro lado, se puede seleccionar un módulo que no requiera una MCU host externa (independiente de host), lo que permite evitar problemas de cumplimiento del controlador. 

  REQUISITOS DE LA APLICACIÓN

  Los requisitos específicos de la aplicación final determinarán las características y capacidades que debe admitir la solución inalámbrica. Junto al consumo de energía, el rendimiento y el rango son requisitos de primer orden que se deben considerar. A diferencia de las redes cableadas, el medio de transmisión para algunas tecnologías inalámbricas, como 802.11 Wi-Fi, es un medio compartido. El uso paralelo del medio solo es posible cuando no hay más de un dispositivo usando el mismo canal (frecuencia) en la misma ubicación al mismo tiempo. Por ejemplo, los protocolos de acceso de medios Wi-Fi se basan en acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisiones para turnarse en la comunicación en el canal en uso en una celta específica. Este es un enfoque basado en la opinión que funciona bien en la mayoría de las circunstancias pero puede volverse ineficiente cuando hay una alta densidad de dispositivos. Con el fin de evitar la congestión que a menudo existe en la banda 2,4 GHz (provocada por 802.11 b/g/n, celular, BT, ANT, ZigBee, RF4CE y Wireless HART), los dispositivos que transmiten datos críticos se deben implementar en otras bandas de frecuencia, como la 5 GHz (p. ej., 802.11a/h) o la sub GHz (p. ej., Z-wave). 

  COSTOS

  Al igual que con la mayoría de las cosas en la vida, obtienes lo que pagas (lamentablemente lo mismo se aplica en el ámbito inalámbrico). Además del costo del hardware, también hay costos de desarrollo y posiblemente por servicio. 

  COSTO DEL PRODUCTO

  Hacer una selección de solución inalámbrica únicamente basada en el costo de producción puede no ser el enfoque más prudente. Se deben considerar cuidadosamente las compensaciones. Si el tiempo de lanzamiento al mercado o los recursos de ingeniería son una

  preocupación, una solución de módulo puede ser el mejor enfoque. La alternativa sería obtener los componentes al nivel de chip e invertiría fuertemente en el desarrollo y las pruebas.

  Como ejemplo, un módulo 802.11 Wi-Fi podría llegar a costar $15, mientras que un solo chip de radio 802.11 solo puede costar $4, sin embargo, la solución de módulo incluye un valor sustancial que no es fácil de encontrar (una pila de software de confianza que se ha refinado y desarrollado durante meses o años en múltiples aplicaciones y clientes finales; diseño precertificado; soporte técnico; código de aplicación de arranque y herramientas de desarrollo). 

  COSTO DE DESARROLLO

  Los costos de desarrollo para implementar una solución inalámbrica integrada se dividen principalmente en tres categorías:

  • Esfuerzo de ingeniería y gastos para integrar la funcionalidad inalámbrica en un producto

  • El costo para test houses autorizadas para producir reportes de pruebas para certificaciones mundiales reglamentarias o de la industria

  • El esfuerzo de ingeniería y los gastos para construir los sistemas, aplicaciones y administración de dispositivos de back-end

    El nivel de integración afectará considerablemente a los costos de desarrollo asociados con ambas categorías. Con frecuencia se seleccionan las soluciones modulares con ecosistemas de soluciones comprobadas para ahorrar costos. 

  COSTO PERMANENTE (SUSCRIPCIÓN)

  De las diversas tecnologías inalámbricas, la celular requiere un costo de suscripción mensual permanente. Si dicho gasto permanente es difícil de costear debido al modelo de negocio del cliente final, se deberían considerar otras tecnologías.

  • Otro costo posiblemente permanente es una solución en la nube. Algunos proveedores de soluciones en la nube PaaS/SaaS cobran de forma periódica (como mensualmente), mientras que otros cobrar por transacción.

• INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA

  Existen muchas opciones de conectividad inalámbrica disponibles y cada una de ellas puede ser la solución ideal. Tan solo depende de los verdaderos requisitos del sistema.

  • A continuación resumiremos las tecnologías predominantes y proporcionaremos los casos de uso típicos. Trataremos primero las tecnologías inalámbricas de menor rango y finalizaremos con las omnipresentes de Wi-Fi y celular. 

  
  

  RFID

  La identificación por radiofrecuencia (RFID) usa campos electromagnéticos para transferir los datos con el fin de identificar y rastrear las etiquetas adheridas a un objeto. Algunas etiquetas (pasivas) solo se pueden leer a cortos rangos (unos pocos metros) mediante inducción electromagnética, mientras que algunas etiquetas (activas) que incluyen una batería pueden leer hasta cientos de metros de distancia. Una etiqueta pasiva es más barata y pequeña debido a que no se requiere una batería. 

  Un sistema RFID requiere un lector además de las etiquetas. El lector transmite una señal de radio codificada para interrogar a la etiqueta. La etiqueta responde con su identificación y posiblemente otros detalles, como un retardo de existencia. La tasa de transferencia de datos no es crítica debido a que se transmite una cantidad mínima de datos, por lo que 400kbps es bastante suficiente. 

  Un atributo positivo de la RFID es que la frecuencia está fuera del congestionado espacio de 2,4 GHz que habitan muchas opciones de tecnología inalámbrica. La RFID normalmente está en una o más de las siguientes bandas: 120-150kHz (LF), 13,56 MHz (HF), 433MHz (UHF) o 3,1 a 10 GHz (microondas).

  Un caso de uso interesante para la RFID es el rastreo del uso de equipos por personas que llevan una etiqueta de RFID (por ejemplo, el uso de un lavamanos por parte del personal de un hospital). 

  NFC

  La comunicación de campo cercano (NFC) es una tecnología de campo corto rango que permite la comunicación bidireccional entre dispositivos en una distancia menor que 10 cm. El estándar de NFC se define en ISO/IEC 18092 y funciona a 13,56 MHz.

  NFC tiene una tasa de transferencia de datos bastante baja de 400 kbps, pero ofrece una configuración sumamente simple.

  Una aplicación común para NFC es en los sistema de pago sin contacto, que permiten el pago móvil en reemplazo de las transacciones con tarjeta de crédito. NFC también está adquiriendo más presencia en las redes sociales proporcionando un medio de compartir información de contacto o imágenes entre dispositivos próximos. 

  Según el reciente anuncio de Apple del iPhone 6 y el Apple Watch que incluyen tecnología NFC, la NFC puede comenzar a lograr una aceptación más rápida. Sin embargo, la NFC de Apple actualmente solo admite ApplePay, sin interfaz con altavoces u otros accesorios habilitados para NFC.

  Adicionalmente, Apple pretende reforzar la a veces cuestionada seguridad de NFC al exigir un paso de autenticación de escaneo de huella dactilar adicional y la creación de un criptograma de Apple Pay temporal. El token de 16 dígitos posteriormente se enviará al lector de tarjetas NFC de un minorista para el procesamiento del pago. El token será válido solo durante un determinado período y ubicación, con lo que hace inútil su robo para usarlo en el futuro. 

  BLUETOOTH y BLE

  Classic Bluetooth (BT) y Bluetooth Low Energy (BLE) podrían haberse mencionado en secciones separadas porque se desarrollaron para usos completamente distintos y, de hecho, ni siquiera son compatibles entre sí.

  Bluetooth (BT) también intercambia datos en una distancia relativamente corta de hasta 100 metros. Bluetooth opera en el rango de 2400 a 2483,5 MHz. Dependiendo de la versión de Bluetooth, la tasa de transferencia de datos es generalmente de hasta 3 Mbps. Para usar Bluetooth (Classic), se debe seguir uno de los más de 30 perfiles (según la aplicación). Algunos ejemplos son:

  • -  Perfil de distribución de audio avanzada (A2DP): define cómo se transmitirá el audio entre dispositivos por una conexión de BT

  • -  Perfil básico de imagen (BIP): diseñado para enviar imágenes entre dispositivos

  • -  Perfil manos libres (HFP): permite que los equipos de manos libres para vehículos se comuniquen con teléfonos móviles en el vehículo

  • -  Perfil de auricular (HSP): compatible con auriculares BT para su uso con teléfonos móviles

    Bluetooth Low Energy (BLE) también se conoce como Bluetooth v4.0 y se desarrolló para aplicaciones de baja potencia, baja latencia, bajo rendimiento (1 Mbps). El rango de BLE de 50 metros es más corto que el de BT. 

  BLE es un protocolo completamente diferente que el BT y no es compatible con los protocolos Bluetooth heredados. Usa un esquema de canal diferente (40 canales de 2 MHz frente a los 79 canales de 1 MHz de Classic BT). 

  BLE es una excelente opción para control de la salud y la condición física, como un monitor cardíaco.

  Tenga presente que para que un dispositivo sea comercializable como dispositivo Bluetooth, el producto debe calificarse según los estándares definidos por el Bluetooth Special Interests Group (SIG). El SIG es propietario de la marca comercial Bluetooth, que se puede licenciar a empresas que incorporan la tecnología a un producto. Para ser un licenciatario, una empresa debe convertirse en miembro y obtener la certificación de su producto.

  Además, se debe tener presente cuál teléfono inteligente estará en la mezcla. Por ejemplo, los dispositivos Apple iOS como el iPhone pueden conectarse libremente con accesorios de manos libres y auricular de Bluetooth, sin embargo, una conexión de datos de BT requiere una conexión cifrada (y un chip de autenticación de Apple), básicamente una secuencia de descubrimiento/emparejamiento y negociación con el coprocesador de autenticación de Apple. No se requiere el chip de autenticación de Apple para la comunicación de BLE.

  No hace falta preocuparse, hay muchos terceros que pueden ayudar con todo lo que es necesario. Las empresas de semiconductores y de OEM por igual frecuentemente se basan en desarrolladores de pilas Bluetooth, como Stonestreet One. También ha soluciones de módulo fácilmente disponibles. 

  ANT / ANT+

  El protocolo ANT también opera en la banda 2,4 GHz y se desarrolló para la transferencia periódica de ultra baja potencia, baja transferencia de bits (1 Mbps) de pequeñas cantidades de datos entre muchos nodos de sensor interconectados (rango de 50 m, como BLE). Cualquier nodo puede transmitir o recibir, por lo que los canales son bidireccionales. Al igual que BLE, ANT puede admitir tecnologías de punto a punto (P2P) y topologías en estrella, pero adicionalmente puede manejar una configuración de árbol o malla.

  ANT se destaca en inmunidad a las interferencias (en el saturado espacio de 2,4 GHz) debido a que usa una tecnología de red isócrona adaptativa para asegurar la coexistencia con otros dispositivos ANT. Las transmisiones de mensajes breves permiten que un canal único se divida en cientos de intervalos de tiempo. Así, la tecnología es ideal para implementar redes de área personal en supervisión de la condición física/salud.

  ANT+ se puede agregar al protocolo base de ANT y permite la conexión de redes de dispositivos ANT+ cercanos. Por ejemplo, los dispositivos de supervisión de la condición física habilitados para ANT+ (p. ej., podómetros, medidores de cadencia, monitores del ritmo cardíaco) pueden trabajar en conjunto y hacer un seguimiento de las métricas de desempeño. 

  ZIGBEE

  ZigBee se basa en el estándar IEEE 802.15.4 y al igual que muchas opciones ya cubiertas, opera en la banda 2,4 GHz. Si bien la tasa de transferencia de datos es bastante baja a 250 kbps, su baja potencia y diversidad de topologías es una elección popular para muchas aplicaciones industriales basadas en sensor de ultra baja potencia.

  Aunque el rango de radio es de 10 a 100 m de línea de vista, la capacidad de configurarse como estrella, árbol en clúster o malla permite a cualquier nodo comunicarse con cualquier otro y un alcance casi ilimitado de la red. Como tal, ZigBee ha sido aceptado como el estándar de hecho para el control industrial y la automatización de edificios. Un ejemplo de caso de uso ideal es la HVAC industrial en que los nodos de sensores (p. ej., que controlan las condiciones ambientales o la posición del respiradero) se espera que funcionen con una batería durante más de 10 años. Los datos desde un nodo de sensor distante pueden enviarse a un controlador de edificio remoto mediante saltos en una red en malla amplia. 

  WI-FI

  Wi-Fi, es decir, 802.11, opera en 2,4 GHz o 5 GHz. Wi-Fi es la opción ideal para muchas aplicaciones debido a que generalmente hay una red disponible, por lo tanto, se ahorra el costo de una puerta de enlace adicional para intercambiar datos en Internet.

  Hay una amplia gama de opciones según el subestándar que se seleccione (p. ej., hasta una tasa de transferencia de datos de 150 Mbps y un alcance de 250 m con 802.11n).

  A menudo se señala a la tecnología Wi-Fi como gran consumidora de energía, sin embargo, el rendimiento se puede sacrificar para lograr una opción de relativamente baja potencia. Por ejemplo, algunos módulos Wi-Fi son capaces de lograr un consumo de energía promedio de < 1 mA si el rendimiento de datos se reduce a 2 Mbps aproximadamente. Aún así no es una potencia tan baja como ANT+, BLE o ZigBee, no obstante, ofrece una tasa de transferencia de datos relativamente más alta.

  Un caso de uso de baja potencia ideal para Wi-Fi es una escala de peso conectada a la nube (en que las baterías podrían durar hasta 4 años si el peso se mide aproximadamente 10 veces al día).

  Un caso de uso ideal de rendimiento mayor es una cámara de seguridad portátil. 

  CELULAR

  Dejamos para el final a la tecnología celular (700 MHz - 2,7 GHz) porque aprovecha la red más generalmente disponible, lo que reduce al mínimo los desafíos del caso de uso de implementación. El alcance celular es esencialmente ilimitado, dependiendo de la disponibilidad de la red del operador de telefonía. El rendimiento es bastante alto a los 7,2 Mbps (red 2,5 - 4G).

  El rastreo/supervisión de vehículos es un excelente ejemplo de un caso de uso ideal de celulares. Naturalmente, la tecnología celular viene con un precio mensual que considerar.