La creciente urbanización y el acceso a la tecnología están aumentando las expectativas de los consumidores acerca del nivel de comodidad de nuestra vida en el futuro. Aunque gran parte del enfoque, hasta ahora, se ha centrado en productos y dispositivos móviles, ahora es evidente que una infraestructura mejorada cumple un papel significativo en definir y desarrollar el mundo en el que vivimos.
Estas mayores expectativas presentan sus propios desafíos, ya que los organismos de administración pública deben delinear planes de migración tomando en cuenta importantes problemas económicos y sociales, como las preocupaciones de privacidad de los ciudadanos y la seguridad. Los diseñadores se enfrentan a desafíos cada vez más complejos con requisitos que a veces entran en conflicto. Por un lado, están adoptando con rapidez las nuevas tecnologías para agregar más funcionalidad a aplicaciones antes cotidianas, como un simple farol de alumbrado público, mientras que, por otro lado, intentan minimizar el consumo de electricidad ante los costos de energía cada vez más altos.
En este nuevo mundo, el farol ya no es solo una luz, sino que también se está convirtiendo rápidamente en un portal conectado y altamente funcional que forma una parte clave de la infraestructura de una ciudad inteligente. Sin embargo, para proporcionar funcionalidad y conectividad esenciales, los diseñadores de iluminación ahora trabajan con conectividad celular y múltiples tecnologías de detección, además de soluciones de seguridad activas y pasivas.
Tecnología de radar de 24 GHz
El radar es un método de detección de objetos que usa ondas de radio para determinar el rango, el ángulo o la velocidad de los objetos mediante ondas electromagnéticas. Los sistemas de radar habituales están compuestos por varios elementos, entre ellos: un transmisor que produce pulsos electromagnéticos u ondas en el rango de frecuencia de microondas o radio, una antena transmisora, una antena de recepción independiente y un receptor que incluye la capacidad de procesar las señales recibidas.
Para medir la distancia a la que se encuentran los objetos estáticos o en movimiento, el radar de pulsos envía un pulso corto y potente que rebota en el objeto. El tiempo entre la emisión del pulso y su recepción es directamente proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto desde el sistema de radar.
Los métodos de onda continua transmiten sin interrupciones una onda electromagnética que se puede modular de distintas formas. El radar FMCW (onda continua modulada por frecuencia) puede detectar objetos móviles o estáticos al transmitir un "chirrido" que se combina con la señal recibida. La salida de baja frecuencia representa la distancia y la velocidad. Para detectar la distancia de los objetos en movimiento, se emplea FSK (modulación por cambio de frecuencia). Aquí, se envían dos frecuencias de forma secuencial y las señales Doppler desfasadas representan la distancia.
Figura 1: El radar de onda continua puede detectar la posición de objetos móviles y estáticos
A medida que la detección de objetos se vuelve cada vez más importante para muchos dispositivos y sistemas inteligentes, la tecnología de radar de 24 GHz se encuentra en múltiples aplicaciones, las cuales incluyen multicópteros o drones, dispositivos inteligentes de apertura de puertas, automatización del hogar y fábricas, velocímetros, robótica y muchas otras aplicaciones basadas en IoT.
Alumbrado público inteligente
Recientemente, Infineon se asoció con eluminocity en un proyecto para potenciar las ciudades inteligentes y globalmente conectadas del mañana. Al combinar su conocimiento y tecnología, las tres empresas han desarrollado una aplicación de alumbrado público LED altamente eficiente y avanzada que incluye capacidades de detección precisas y transmisión segura de datos. La solución de alumbrado público inteligente desarrollada en conjunto se basa en un farol diseñado por eluminocity que actúa como un concentrador para las aplicaciones inteligentes. La tecnología de Infineon está en el centro de los sistemas electrónicos avanzados e incluye un radar de 24 GHz, semiconductores con eficiencia energética, microcontroladores XMC™ y soluciones de seguridad de la avanzada serie OPTIGA™ de Infineon.
La tecnología OPTIGA™ de Infineon proporciona un sistema abierto que puede escalarse con facilidad, es completamente independiente de la infraestructura existente y, al mismo tiempo, incluye un alto grado de seguridad. El operador del alumbrado público (a menudo, el organismo de administración pública) solo debe asegurarse de que los concentradores de iluminación estén conectados a la infraestructura existente.
Mientras que las luces en sí mismas son intrínsecamente eficientes mediante la aplicación de los dispositivos de conmutación y la administración de potencia de Infineon, la capacidad del radar de 24 GHz para detectar la presencia de objetos permite aumentar la intensidad de luz solo cuando es necesario. Esto proporciona una solución mucho más eficiente que las ya eficientes soluciones de iluminación que siempre están encendidas.
Figura 2: La iluminación inteligente es solo una función de estos concentradores inteligentes para ciudades inteligentes
Sin embargo, estas luces inteligentes de eluminocity son mucho más que soluciones de iluminación altamente eficientes. La detección de proximidad les permite detectar espacios de estacionamiento vacíos en las cercanías, y esta información puede comunicarse de manera instantánea a los conductores en los alrededores. Así, se crea un elemento de administración de tráfico en verdad inteligente. Mediante el monitoreo de las condiciones de tráfico locales, los planificadores urbanos y los dueños de las tiendas en el área circundante pueden consultar los valiosos datos disponibles. Estos datos permiten guiar a los conductores fuera de las áreas de congestión, ya sea mediante el control de los carteles y las señales de tráfico, o bien, a través de la provisión instantánea de datos a los sistemas de navegación satelital incorporados.
La iluminación inteligente moderna también se puede equipar con estaciones de carga para vehículos eléctricos, un prerrequisito clave para lograr una movilidad eléctrica exitosa sin ocupar espacio adicional.
Iluminación inteligente: Descripción general de la tecnología
Soluciones de seguridad de OPTIGA™: Mientras que estos concentradores brindan capacidades altamente avanzadas para formar la columna vertebral de las ciudades inteligentes, la misma conectividad que permite dichos beneficios incluye potenciales debilidades de seguridad. A fin de abordar esta amenaza y asegurar las redes de las que dependen las ciudades inteligentes, el concentrador de iluminación implementa tecnología de la familia de soluciones de seguridad confiables OPTIGA™ de Infineon. Estos controladores de seguridad estandarizados proporcionan un amplio rango de funciones de seguridad para las plataformas integradas. Todos los productos OPTIGA™ se basan en la tecnología de seguridad de hardware avanzada de Infineon, lo que les brinda a los diseñadores y usuarios altos niveles de confianza en cuanto a la seguridad. Las funciones de seguridad incorporadas incluyen integridad de datos y sistemas, funciones de autenticación y seguridad en comunicaciones, almacenamiento de datos y actualizaciones; todo lo cual resulta esencial para proteger la integridad de las ciudades inteligentes del futuro.
El rango de productos de OPTIGA™ tiene como pieza principal un controlador de seguridad de vanguardia de 16 bits que se puede integrar fácilmente en una amplia gama de sistemas de IoT. Para proporcionarles a los diseñadores una flexibilidad completa, la familia de productos es compatible con Microsoft Windows, Linux y sus derivados, y también admite la integración con sistemas propietarios. La familia OPTIGA™ también contiene dispositivos TPM, que son los primeros en ser compatibles con el más reciente estándar TPM 2.0 de TCG, lo que permite una fácil implementación de los últimos protocolos de seguridad.
Detección de proximidad inteligente: La detección de proximidad en los concentradores de iluminación inteligente se basa en la solución de chip de radar industrial de 24 GHz más pequeña del mercado: BGT24LTR11. Este versátil dispositivo permite medir múltiples parámetros, lo que incluye mediciones de distancia basadas en ondas electromagnéticas y mediciones de velocidad de objetos basadas en señales Doppler. Los canales de recepción adicionales también permiten detectar ángulo o dirección según la detección de fases en las antenas.
La capacidad de 24 GHz ofrece un alto nivel de precisión: hasta 50 m para peatones y 150 m para vehículos. También es mucho más sensible que la tecnología infrarroja pasiva (PIR) a la que reemplazará eventualmente en muchas aplicaciones, ya que ofrece la capacidad de detectar, por ejemplo, movimiento respiratorio en un rango inferior a 1 mm. La tecnología de 24 GHz también puede operarse en un amplio rango de condiciones atmosféricas, lo que incluye cambios de temperatura significativos o altos niveles de humedad y polvo, lo que hace que sea adecuada para su uso en exteriores, incluso en las ciudades globales conectadas más inhóspitas.
Figura 3: Diagrama de bloques y tamaño del paquete de BGT24LTR11N16
Para los diseñadores que aún no están familiarizados en su totalidad con la tecnología de 24 GHz, Infineon ofrece un conjunto de kits de demostración, como la placa de demostración Sense2GoL. Junto con el propio BGT24LTR11, esta completa placa ofrece un microcontrolador industrial XMC1302 ARM® Cortex® M0 de 32 bits en una PCB compacta de 25 mm2 que también incluye antenas de parche dedicadas para la ruta de recepción y transmisión. La placa de demostración está conectada a una placa independiente depuradora Segger (breakout board) para reprogramación y evaluación.
El kit integral también incluye firmware para detección de movimiento y una GUI de software para observación de señales de radar, además de un manual de usuario, esquemas de PCB completos y archivos Gerber para llevar rápidamente los diseños a la producción. Dado que Infineon desea mejorar la compatibilidad de los diseños de 24 GHz, en el futuro cercano planea lanzar diseños de referencia y configuraciones de software.
Detección adicional: Casi todos los sensores pueden incorporarse en estos concentradores de iluminación inteligente. Los sensores de gas pueden monitorear la calidad del aire, mientras que los sensores de audio pueden reconocer los niveles de contaminación auditiva. Los casos de uso específicos pueden incluir detección basada en sonido para accidentes vehiculares o disparos. Aunque en un nivel son muy sencillose, los sensores de luz cumplen un rol muy importante en hacer que el alumbrado público sea más inteligente. Al detectar la luz ambiental, pueden encender la iluminación ante inclemencias climáticas. Al monitorear la salida de luz real, pueden brindar una respuesta al controlador para garantizar que siempre se alcancen los niveles de luz correctos, sin importar la antigüedad de la lámpara. Los datos de desgaste pueden proporcionarse de forma remota a los técnicos para permitir una mejor planificación del mantenimiento, mientras que las alarmas pueden señalar cualquier falla prematura.
Controlador de iluminación: El XDPL8220 contiene un núcleo digital que permite que distintos sistemas se basen en el mismo dispositivo. Sus algoritmos de control avanzados permiten la materialización de corriente constante, tensión constante y esquemas de control de potencia limitada dentro del mismo circuito. Además, puede adaptarse a aplicaciones de destino, ya que solo se deberá ajustar un conjunto integral de parámetros.
Compatible con las altas expectativas de los sistemas de energía modernos, el dispositivo ofrece un rango de tensión de entrada de 90 a 305 V CA, una eficiencia superior al 90 % y una distorsión armónica total (THD) inferior al 15 %, lo que garantiza el cumplimiento con la norma IEC 61000-3-2, clase C. Un control PFC activo y armónico que funciona en un amplio rango de corriente de salida garantiza un factor de potencia mayor a 0,9 en todas las condiciones de funcionamiento y asegura que se minimicen las pérdidas de suministro adicionales debido a frecuencias armónicas y potencia reactiva.
Resumen
Juntos, eluminocity e Infineon han convertido simples faros de alumbrado público en un concentrador seguro e inteligente que será el centro de la infraestructura de las ciudades inteligentes. La solución de extremo a extremo diseñada en conjunto incluye alumbrado público desarrollado por eluminocity y soluciones de comunicación de Intel. La amplia gama de soluciones de Infineon incluye sensores de radar de 24 GHz, semiconductores de potencia, microcontroladores y chips de seguridad; elementos que hacen que estos concentradores sean muy versátiles.
La plataforma abierta permite que otros interesados puedan usar las amplias redes de sensores, e invitamos a los innovadores a desarrollar nuevas e ingeniosas aplicaciones en estos sistemas para apoyar y mejorar las ciudades globalmente conectadas del futuro.
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