Aumente la eficiencia de la automatización industrial con redes de sensores Bluetooth sólidas y seguras

Las redes de sensores de Internet de las Cosas (IoT) han demostrado ser un elemento de cambio para la automatización industrial, las energías renovables y los sistemas de iluminación inteligentes al aprovechar los datos en tiempo real para mejorar la eficiencia y reducir el tiempo de inactividad mediante el mantenimiento predictivo. Sin embargo, a medida que los sistemas se equipan con un número cada vez mayor de nodos de sensores inalámbricos, los diseñadores se enfrentan al reto de escalar de forma fiable estas redes de IoT industrial (IIoT) en entornos difíciles, minimizando al mismo tiempo los costes operativos y de implementación, abordando la saturación de la red y garantizando la seguridad.

Este artículo ofrece una visión general de los problemas a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de escalar las redes IIoT. A continuación, presenta los módulos Bluetooth de baja energía (BLE) y un kit de desarrollo de Digi y muestra cómo pueden utilizarse para resolver estos problemas de forma rápida y eficaz.

Los desafíos de ampliar la infraestructura inalámbrica IIoT

IIoT abarca una amplia gama de aplicaciones en las que la adquisición de datos es esencial para mejorar la eficiencia y la previsibilidad. En la iluminación inteligente, por ejemplo, los sensores inalámbricos recogen datos sobre la luz ambiental y la ocupación, adaptando el uso en tiempo real para ahorrar energía y sus costes asociados.

Del mismo modo, las aplicaciones de energías renovables utilizan redes de sensores IoT de larga distancia para supervisar diversas fuentes de energía, como la solar y la eólica. Supervisan el estado y el rendimiento del sistema, predicen los problemas y ajustan dinámicamente el suministro de la red.

Al igual que en otras áreas que utilizan la automatización industrial, los datos adquiridos de las piezas móviles son clave para implantar el mantenimiento predictivo. La instalación de cientos de sensores inalámbricos en un sistema industrial proporciona información detallada para optimizar los procesos, reducir las tareas de mantenimiento y disminuir los costes de funcionamiento. Pero, a medida que se amplían las redes de sensores, surgen problemas que pueden afectar negativamente al rendimiento, como:

• Interferencias: Los entornos industriales suelen estar cargados con altos niveles de interferencias electromagnéticas (EMI) producidas por motores, fuentes de alimentación conmutadas y aparatos de soldadura por arco. Estas interferencias electromagnéticas pueden causar intermitencias y reducir la velocidad de transmisión de datos, lo que impide una transmisión eficaz.
• Saturación de la red: el funcionamiento de varios dispositivos inalámbricos muy próximos puede saturar las redes, lo que provoca una mayor latencia y caídas de conexión que dificultan la supervisión en tiempo real y aumentan el consumo de energía.
• Seguridad: el pirateo informático es una preocupación importante para infraestructuras críticas, como las de energía o logística, por lo que las redes de sensores deben ofrecer una seguridad sólida. Sin embargo, a medida que aumenta el número de puntos finales, también lo hace el número de vulnerabilidades.

Otro desafío es integrar los sensores inalámbricos con los protocolos industriales estándar. Esta integración puede implicar el reformateo y la compresión de datos para reducir el tráfico de red; sin embargo, estos procesos requieren un procesamiento en el propio dispositivo, que puede dispararse rápidamente en términos de coste y potencia a medida que aumenta el número de sensores y protocolos. Además, con más sensores sobre el terreno, las labores de mantenimiento se hacen cada vez más complejas, ya que requieren revisiones imprevisibles, ya sea por averías o por un simple cambio de pilas.

Ventajas de Bluetooth para la IIoT a gran escala

Entre los muchos protocolos inalámbricos IIoT, Bluetooth ofrece una solución potente que aborda una serie de problemas a medida que se amplían las redes de sensores. Por ejemplo, proporciona una gran inmunidad a las interferencias mediante el salto de frecuencia adaptativo (AFH). AFH divide los datos en pequeños paquetes que se transmiten a través de múltiples frecuencias y se recombinan en el extremo receptor. Los paquetes de datos perdidos se vuelven a enviar si se informa de su ausencia, lo que garantiza la fiabilidad de las comunicaciones y evita que se pierdan mensajes largos por culpa de las interferencias electromagnéticas.

Para evitar la saturación de la red, Bluetooth admite el control de la potencia de transmisión en relación con el receptor una vez establecida la conexión. Este enfoque, combinado con AFH, ayuda a conservar la energía al tiempo que minimiza la EMI, lo que permite que cientos de dispositivos inalámbricos funcionen en el mismo espacio. Además, Bluetooth mitiga las vulnerabilidades de seguridad mediante el uso de protocolos de cifrado y autenticación resistentes.

En las implementaciones de IIoT, las redes de sensores Bluetooth a gran escala se comunican principalmente a través de pasarelas diseñadas para emparejarse con múltiples dispositivos. Al construir nodos sensores en torno a Bluetooth, los desarrolladores pueden ofrecer una interoperabilidad sin fisuras con teléfonos inteligentes y tabletas, agilizando así las tareas de configuración y diagnóstico para mejorar la eficiencia del mantenimiento.

Sin embargo, para que una red inalámbrica sea adecuada para la IIoT, también debe soportar de forma fiable las duras condiciones de implementación y ser de bajo consumo, rentable y fácil de mantener.

Aprovechamiento de módulos BLE industriales para redes IIoT

Los módulos XBee 3 BLU BLE 5.4 y el kit de desarrollo de Digi ofrecen a los diseñadores una vía rápida y sencilla para desplegar redes IIoT inalámbricas. Los módulos cumplen los requisitos de fiabilidad y consumo gracias a una combinación de tolerancia a temperaturas industriales de -40 °C a +85 °C y el uso de los modos de funcionamiento de reposo e inactivo. Con un consumo de corriente de 7,5 miliamperios (mA) y 8 microamperios (µA), respectivamente, los dispositivos XBee 3 BLU pueden soportar la instalación de sensores remotos a largo plazo en lugares de difícil acceso, lo que permite obtener información valiosa sin necesidad de acceder periódicamente para cambiar las pilas.

Otras características son:

• Velocidad máxima de transmisión de datos de 2 megabits por segundo (Mbits/s) para obtener información detallada de maquinaria compleja
• +8 decibelios referidos a un milivatio (dBm) de potencia máxima de transmisión para comunicaciones de alta fidelidad de hasta 15 metros (m) en interiores o 300 m en exteriores con una línea de visión directa.
• 13 E/S digitales y cuatro entradas de convertidor analógico-digital (ADC) de 10 bits para una integración flexible con distintos equipos e interfaces de sensores
• Alimentación de 1.71 a 3.8 voltios para opciones de alimentación flexibles
• Digi TrustFence Security para la protección de dispositivos y redes, incluido el arranque seguro, puertos de hardware protegidos y autenticación de dispositivos.
• Programabilidad avanzada de MicroPython para el desarrollo rápido de sistemas de procesamiento de datos y toma de decisiones en el dispositivo.
• Homologaciones reglamentarias completas para Norteamérica (FCC, IC) y Europa (ETSI)

Examinar las opciones del módulo XBee 3 BLU

Digi ofrece varios modelos de XBee 3 BLU para adaptarse a diferentes necesidades de diseño y factores de forma de los sensores. El XB3-24B5UM-J (Figura 1) es una solución de montaje en superficie que incorpora un conector U.FL para la conectividad de antenas externas. Existen modelos similares con opciones de antena chip y RF pad.

Figura 1: El XB3-24B5UM-J ofrece una solución de bajo perfil para potentes comunicaciones BLE en entornos industriales. (Fuente de la imagen: Digi)

Con unas dimensiones de 13 mm × 19 mm × 2 mm, este factor de forma es idóneo para sensores de perfil bajo diseñados para entornos industriales altamente integrados, como las luminarias inteligentes. La soldadura directa en placas de circuitos impresos (placas CI) también puede aumentar la durabilidad y fiabilidad de los sensores en entornos difíciles, como las cadenas de montaje de las fábricas.

De manera opcional, el XB3-24B5PT-J (Figura 2) es una variante con orificio pasante del módulo XBee 3 BLU. Este factor de forma cuenta con una antena de traza de placa CI, con una opción de U.FL.

Figura 2: El XB3-24B5PT-J es un módulo con orificio pasante que puede intercambiarse fácilmente con otros módulos XBee que utilicen distintos protocolos inalámbricos, lo que aumenta la flexibilidad del diseño. (Fuente de la imagen: Digi)

A pesar de su mayor tamaño de 24.38 mm × 27.61 mm, este factor de forma de orificio pasante supone una ventaja para los desarrolladores que diseñan sensores IoT para otras aplicaciones. Mediante la instalación de cabeceras en una placa portadora común, el mismo diseño de sensor puede servir para diferentes protocolos inalámbricos intercambiando este módulo con otro del ecosistema XBee más amplio. Esto reduce los esfuerzos de diseño para los desarrolladores y añade flexibilidad a la infraestructura IIoT.

Agilice el desarrollo de sistemas IIoT basados en BLE con el kit de desarrollo XBee

Para acelerar la construcción de un proyecto, los diseñadores pueden empezar con el kit de desarrollo XK3-B5M-WBT XBee 3 BLU (Figura 3). Cuenta con una placa de interfaz XBIB y periféricos clave para apoyar la creación inmediata de prototipos de sensores inalámbricos, incluyendo:

• cabezal de control de corriente
• sensor de temperatura y humedad
• Conector Grove para sensores de terceros
• botones de usuario programables
• Opciones de alimentación por USB o batería

Figura 3: El kit de desarrollo XK3-B5M-WBT ofrece un punto de partida ideal para diseñar redes de sensores IIoT basadas en BLE. (Fuente de la imagen: Digi)

El kit también proporciona acceso a Digi XBee Studio. Esta aplicación gratuita y multiplataforma permite una comercialización más rápida gracias a una amplia gama de herramientas de desarrollo, incluida una completa pila de software BLE 5.4, así como documentación y ejemplos adicionales. La sencilla interfaz gráfica de usuario (GUI) (Figura 4) facilita paso a paso la configuración y gestión de varios dispositivos XBee simultáneamente.

Figura 4: XBee Studio es un entorno de software integral diseñado para acelerar el desarrollo y las pruebas de los nodos XBee IIoT. (Fuente de la imagen: Digi)

Junto con XBee Studio, la aplicación Digi XBee Mobile permite la configuración local y las actualizaciones de firmware por aire (OTA) para la resolución de problemas sobre el terreno. El Digi SDK Mobile admite el desarrollo de aplicaciones para sistemas iOS y Android, lo que permite a los desarrolladores agilizar las interacciones del usuario final con las redes de sensores basadas en XBee, lo que se traduce en una gestión más sencilla y eficiente de los dispositivos.

Conclusión

Al diseñar redes de sensores IIoT a gran escala para la adquisición de datos, los desarrolladores pueden encontrarse con numerosos retos relacionados con las interferencias, la seguridad, la integración y el mantenimiento. Los módulos Digi XBee 3 BLU proporcionan una solución BLE industrial de bajo consumo que ofrece funciones informáticas integradas para agilizar la gestión de datos. Con opciones de integración flexibles y recursos de desarrollo completos, los módulos constituyen una plataforma fiable sobre la que crear y ampliar sistemas avanzados de redes de sensores de forma rápida y eficaz.