Solución de conectividad inalámbrica de bajo consumo para hogares inteligentes

El término Smart Home se refiere a un estilo de vida donde los dispositivos y sistemas del hogar están interconectados y se comunican a través de tecnología avanzada de la información, mejorando la comodidad, seguridad, eficiencia energética y confort en la vida doméstica. Se ha convertido en una de las aplicaciones más populares en la actualidad. Entre ellas, la tecnología de conectividad inalámbrica de baja potencia utilizada para interconectar dispositivos ha adquirido una importancia fundamental para las aplicaciones de Smart Home. Este artículo presentará el desarrollo actual de la tecnología de conectividad inalámbrica de baja potencia y las soluciones relacionadas ofrecidas por Nordic.

La tecnología de conectividad inalámbrica de bajo consumo enlaza dispositivos inteligentes entre sí

Los sistemas de hogares inteligentes normalmente consisten en diversos sensores, actuadores, dispositivos de red y controladores inteligentes, que permiten la comunicación y el control remoto entre los dispositivos mediante la conectividad a Internet. Las aplicaciones comunes de hogares inteligentes incluyen sistemas de iluminación inteligente, sistemas de seguridad inteligente, control de electrodomésticos inteligentes, sistemas HVAC inteligentes, asistentes de voz y altavoces inteligentes, cortinas y ventanas inteligentes, entretenimiento en el hogar inteligente, sistemas de monitoreo de salud y cocinas inteligentes.   Estos dispositivos inteligentes suelen requerir tecnología de conectividad inalámbrica de bajo consumo para enlazarlos entre sí, facilitando la comunicación y la interconectividad. Actualmente, los principales protocolos de conectividad inalámbrica para hogares inteligentes incluyen Matter, Thread, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Wi-Fi, Zigbee, IoT celular y NR+, cada uno con sus propias características para adaptarse a diferentes necesidades de aplicación. A continuación, se presenta una breve descripción de algunas de las principales tecnologías de conectividad inalámbrica, su desarrollo y características.

Materia

Matter proporciona una base compartida sobre la cual construir una aplicación, con el objetivo de lograr interoperabilidad entre dispositivos y ecosistemas, y permitir que los desarrolladores creen soluciones seguras y confiables con facilidad. Matter fue lanzado inicialmente como el proyecto CHIP (Connected Home over IP) en diciembre de 2019. Las empresas fundadoras incluyen Amazon, Apple, Google, así como otras compañías como Nordic, con el propósito de establecer un estándar unificado de capa de aplicación para dispositivos interconectados en el hogar.   La solución Matter podrá interoperar con los principales ecosistemas de hogares inteligentes, como Siri de Apple, Asistente de Google y Alexa de Amazon. Matter utiliza Thread, Wi-Fi y Ethernet para la transmisión, mientras que Bluetooth Low Energy se emplea para la configuración inicial. Todos los dispositivos Matter basados en Thread requieren capacidad Bluetooth Low Energy para añadir nuevos dispositivos a la red.

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity) es una tecnología de comunicación inalámbrica utilizada para la transmisión de datos entre dispositivos. La tecnología Wi-Fi permite que los dispositivos se comuniquen y se conecten a Internet sin necesidad de conexiones cableadas tradicionales, utilizando señales inalámbricas en su lugar. Actualmente, es una de las tecnologías de comunicación inalámbrica más empleadas.   La Wi-Fi Alliance ha establecido una serie de estándares de Wi-Fi, como 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac y 802.11ax (Wi-Fi 6), cada uno de los cuales introduce nuevas tecnologías para mejorar la velocidad, la fiabilidad y el rendimiento. La versión más reciente, Wi-Fi 6, es especialmente beneficiosa para aplicaciones que requieren conexiones inalámbricas rápidas, fiables y de alta capacidad. Además, los dispositivos inteligentes para el hogar, como termostatos, cámaras de seguridad y sistemas de iluminación, pueden beneficiarse de la mejora en el alcance y la cobertura de Wi-Fi 6, así como de su capacidad para admitir más dispositivos en una sola red y de la comunicación basada en IP.

Bluetooth de Baja Energía (BLE)

Bluetooth Low Energy (BLE) es una variante de la tecnología Bluetooth específicamente diseñada para proporcionar comunicación de corto alcance en entornos de bajo consumo de energía. Una de las características más significativas de la tecnología Bluetooth Low Energy es su diseño de bajo consumo, lo que la hace adecuada para dispositivos que requieren operación a largo plazo, como sensores, dispositivos portátiles y monitores de salud.   El enfoque de diseño de Bluetooth Low Energy es proporcionar comunicación de corto alcance, típicamente dentro de un rango de 10 metros a 100 metros, lo que ayuda a evitar un consumo innecesario de energía. Bluetooth Low Energy está diseñado para establecer conexiones rápidamente y transmitir pequeñas cantidades de datos de manera ágil. Esto resulta útil en escenarios como compartir archivos pequeños entre dispositivos móviles o transferir datos entre sensores y dispositivos móviles.

Hilo

Thread es un protocolo de comunicación inalámbrica de bajo consumo basado en IPv6 (Protocolo de Internet versión 6) diseñado específicamente para el Internet de las cosas (IoT). Está adaptado como un protocolo de bajo consumo adecuado para escenarios que implican la conexión de un gran número de dispositivos de bajo consumo. Reduce el consumo de energía de los dispositivos mediante el uso de modos de suspensión de bajo consumo, un rápido tiempo de activación y mecanismos flexibles de transmisión de datos.   Thread admite la autoorganización, permitiendo que los dispositivos formen redes automáticamente sin un controlador central. Esto facilita la expansión de la red, ya que los nuevos dispositivos pueden unirse y participar fácilmente en la red. Basado en IPv6, Thread proporciona a los dispositivos direcciones globalmente únicas, lo que les permite comunicarse directamente con Internet y admite la comunicación de extremo a extremo.

Zigbee

Zigbee es un protocolo de comunicación inalámbrico diseñado específicamente para la comunicación de corto alcance, con bajo consumo de energía y baja tasa de datos, adecuado para dispositivos alimentados por batería que requieren funcionamiento a largo plazo, como sensores y dispositivos para hogares inteligentes. Uno de los objetivos de diseño de Zigbee es proporcionar comunicación de corta distancia, típicamente dentro de un rango de 10 a 100 metros, lo que lo hace ideal para la comunicación de campo cercano entre dispositivos en áreas como hogares inteligentes y control industrial.   Zigbee admite autoorganización, lo que permite a los dispositivos unirse y salir dinámicamente de las redes sin la necesidad de un controlador central. Esto permite que las redes se adapten a cambios y posean cierto grado de resiliencia. La tasa de transferencia de datos de Zigbee es relativamente baja, por lo que es adecuado para transmitir pequeñas cantidades de datos, como datos de sensores y comandos de control, lo que ayuda a reducir el consumo de energía.

Internet de las cosas celular (LTE-M y NB-IoT)

Al evaluar la tecnología de red de área amplia de bajo consumo (Low-Power Wide-Area Network, LPWAN) más adecuada para tu aplicación de Internet de las Cosas (IoT), es crucial considerar varios factores más allá de las especificaciones técnicas, ya que el rendimiento real puede diferir significativamente de las especificaciones técnicas por sí solas. Estas son algunas razones clave por las que IoT celular (incluyendo NB-IoT y LTE-M) podría ser más adecuado para tu proyecto IoT en comparación con LoRaWAN, Sigfox, Wi-SUN u otras tecnologías LPWAN.   IoT celular opera en bandas de frecuencia licenciadas utilizando la infraestructura global existente. Aunque requieren tarifas de suscripción, garantizan una cobertura extensa, escalabilidad, calidad de servicio incorporada, fiabilidad y seguridad sin compromisos. El desarrollo de las tecnologías NB-IoT y LTE-M tiene como objetivo facilitar aplicaciones de comunicación de tipo máquina masiva y de bajo consumo.

SoC revolucionario de múltiples protocolos compatible con aplicaciones IoT

Nordic ofrece un extenso portafolio de productos SoC (System-on-Chip) inalámbricos multiprotocolo, entre los cuales se encuentra el innovador SoC multiprotocolo compacto de ultra baja potencia, el nRF54H20. Este dispositivo destaca por sus excepcionales capacidades de procesamiento, amplia memoria, excelente eficiencia, así como una avanzada radio multiprotocolo y características de seguridad de vanguardia, lo que permite a los desarrolladores crear productos innovadores de IoT.   El nRF54H20 reduce el tamaño del diseño al reemplazar varios componentes con SoCs altamente integrados y puede extender la vida útil de la batería o reducir su tamaño, gracias a su procesamiento eficiente, radio de ultra baja potencia y consumo mínimo en modo de reposo. Admite transmisión de largo alcance con una potencia de transmisión de 10 dBm, sensibilidad de recepción de -100 dBm para Bluetooth Low Energy y -104 dBm para 802.15.4. Además, el nRF54H20 mitiga las amenazas de seguridad, proporcionando seguridad de vanguardia mediante el arranque seguro, actualizaciones de firmware seguras, almacenamiento seguro y defensa contra ataques físicos.   El nRF54L15 representa el próximo nivel en SoCs multiprotocolo, siendo un SoC Bluetooth 5.4 de ultra baja potencia con una avanzada radio multiprotocolo y características de seguridad. La serie nRF54L ofrece excelentes capacidades de procesamiento y eficiencia, memoria ampliada y nuevos periféricos, todo ello en un paquete más compacto.

Los SoCs insignia de Bluetooth Low Energy cumplen con las exigencias de las aplicaciones IoT complejas

Además de los mencionados SoCs nRF54H20 y nRF54L15, Nordic también ha introducido un buque insignia de Bluetooth Low Energy, el SoC nRF5340. Es el primer SoC de la serie nRF53 y, a nivel mundial, el primer SoC inalámbrico equipado con dos procesadores Arm® Cortex®-M33. La combinación de dos procesadores flexibles y conjuntos de características avanzadas lo convierte en una opción ideal para audio de baja energía, dispositivos portátiles avanzados y otras aplicaciones IoT complejas.   El nRF5340 es un SoC integrado que incluye un superconjunto de las características más destacadas de la serie nRF52®. Incorpora Bluetooth® 5.4, SPI de alta velocidad, QSPI, USB y opera a temperaturas de hasta 105 °C. Combina estas características con mayor rendimiento, memoria e integración, mientras minimiza el consumo de energía. Además, proporciona características de seguridad como ejecución confiable, raíz de confianza y almacenamiento seguro de claves.   Asimismo, Nordic también ofrece la serie nRF52, que consta de siete SoCs multiprotocolo Bluetooth 5.4. Estos SoCs integran potentes y eficientes CPUs Arm Cortex-M4 de 64 MHz. La memoria flash varía entre 192 KB y 1024 KB, mientras que la RAM oscila entre 24 KB y 256 KB. La serie nRF52 ofrece opciones más simples y rentables, así como opciones altamente avanzadas, todas con un consumo de energía ultra bajo.   Tanto la serie nRF52 como la nRF53 están basadas completamente en SoCs de flash, proporcionando completa flexibilidad y capacidad de actualización para sus productos. Pueden reprogramarse ya sea en fábrica o en el campo mediante Actualización de Firmware de Dispositivo por Aire (OTA DFU, por sus siglas en inglés), permitiendo actualizaciones de productos y adición de características en cualquier momento y lugar.   Para aplicaciones IoT, Nordic también ha introducido la serie nRF91 de tecnología LPWAN. Esta serie logra un nivel de integración sin precedentes al incorporar todos los componentes relevantes en módulos completos de comunicación y aplicación dentro de micropaquetes de sistema de tamaño reducido. Los tamaños son de 10x16mm para el SiP nRF9160 y el SiP nRF9161, 11x12mm para el SiP nRF9151 y 7x11mm para el Mini SiP nRF9131. Esta integración permite diseños compactos y rentables que las soluciones competidoras no pueden igualar. Por ejemplo, permite la creación de rastreadores de animales alimentados por energía solar que pesan tan solo 2.5 gramos.

Proporcionar una completa gama de circuitos integrados (IC) y kits de herramientas para el desarrollo de software

Además de los SoCs multiprotocolo, Nordic también ofrece circuitos integrados (ICs) complementarios y kits de desarrollo de software para acelerar el desarrollo de productos de los clientes. Por ejemplo, el nRF7002 es un IC Wi-Fi 6 de bajo consumo, altamente seguro y con coexistencia sin interrupciones, que proporciona conectividad Wi-Fi fluida y posicionamiento basado en Wi-Fi (detección de SSID en hubs Wi-Fi locales). Está diseñado para usarse junto con las series existentes de SoCs Bluetooth nRF52® y nRF53® de Nordic, así como con la serie nRF91® de SiP celulares IoT. El nRF7002 también puede utilizarse con dispositivos host que no sean de Nordic.   El nRF7001 es el segundo dispositivo de los ICs Wi-Fi de la serie nRF70 de Nordic, diseñado para integrarse fácilmente con la tecnología de ultra bajo consumo existente de Nordic. Dispone de una radio de 2.4 GHz de bajo consumo, lo que garantiza una mayor duración de la batería, y permite conexiones Wi-Fi 6 de forma fluida en varias aplicaciones. Además, está el IC complementario nRF7000 de Wi-Fi 6, que es una versión simplificada del nRF7002, diseñado específicamente para el posicionamiento basado en SSID. Este IC complementario se centra principalmente en el escaneo activo y pasivo de puntos de acceso Wi-Fi, proporcionando soluciones confiables y energéticamente eficientes para aplicaciones basadas en ubicación.   Nordic también ofrece el nRF Connect SDK, un kit de desarrollo de software para construir productos de Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, IoT celular, redes Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee y Matter. Este SDK es un paquete de software extensible y unificado, diseñado para desarrollar productos basados en todos los dispositivos inalámbricos de Nordic en las series nRF52, nRF53, nRF70 y nRF91. Proporciona a los desarrolladores un marco ampliable para crear software optimizado en tamaño para dispositivos con limitaciones de memoria y software robusto y complejo para dispositivos y aplicaciones más avanzados. Integrado con Zephyr RTOS, incluye varios ejemplos, protocolos de aplicaciones, pilas de protocolos, bibliotecas y controladores de hardware para reducir el tiempo de desarrollo de productos para los clientes.

Conclusión

Los hogares inteligentes pueden mejorar la calidad de vida de las personas y elevar el nivel de inteligencia en los hogares, convirtiéndose en una dirección popular para el desarrollo de aplicaciones. Para garantizar la confiabilidad y seguridad de los dispositivos y sistemas inteligentes, es esencial elegir tecnologías de comunicación inalámbrica estables y seguras para conectar todos los dispositivos del hogar inteligente. La serie de productos SoC multiprotocolo introducida por Nordic puede simplificar significativamente el diseño de productos para hogares inteligentes y mejorar la estabilidad y seguridad del sistema. Por lo tanto, Nordic puede ser su socio óptimo para desarrollar productos relacionados con hogares inteligentes.