Cómo implantar una conectividad inalámbrica segura y sólida para la energía y los servicios públicos inteligentes

Las comunicaciones inalámbricas, incluidas las redes locales y la conectividad en la nube, son un elemento esencial en una serie de sistemas inteligentes de energía y servicios públicos, como medidores de energía, infraestructuras críticas, sistemas de energía verde, vehículos eléctricos, modernización de la red, la red inteligente y las ciudades inteligentes. Estas aplicaciones a menudo implican conectividad de borde y requieren una comunicación de baja latencia, predecible y segura que puede ser soportada usando IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth y otros protocolos. En algunos casos, pueden beneficiarse de un protocolo inalámbrico de bajo consumo y alto rendimiento, como el estándar IEEE 802.11 g/n, que proporciona acceso a la red a una alta velocidad de datos en un radio de aproximadamente 300 metros en exteriores.

Además, estos dispositivos inalámbricos deben cumplir las normas de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) en Estados Unidos, los requisitos del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) y las normas EN 300 328 y EN 62368-1 en Europa, las de Innovation, Science and Economic Development (ISED) en Canadá y las del Ministerio de Asuntos Internos y Comunicaciones (MIC) en Japón, entre otras. Diseñar la conectividad inalámbrica y obtener las certificaciones necesarias puede llevar mucho tiempo, lo que se traduce en un aumento de los costos y una ampliación del plazo de comercialización. En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a módulos de comunicaciones inalámbricas prediseñados y certificados y a plataformas de desarrollo que pueden integrarse fácilmente en dispositivos inteligentes de energía y servicios públicos.

Este artículo comienza repasando varias opciones y arquitecturas de comunicaciones para redes locales y conectividad en la nube, incluidas las opciones de redes cableadas e inalámbricas. A continuación, ofrece varias plataformas inalámbricas de Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon y STMicroelectronics para la implementación de una conectividad inalámbrica segura y sólida para energía y servicios públicos inteligentes, incluidos entornos de desarrollo para acelerar el proceso de diseño.

Grandes oportunidades y retos

Los grandes retos suelen ir acompañados de grandes oportunidades. Este es sin duda el caso del despliegue de energía y servicios públicos inteligentes en la infraestructura de las ciudades inteligentes. En primer lugar, hay que integrar eficazmente las infraestructuras existentes y anticuadas. Además, hay que desplegar redes geográficamente dispersas y tecnológicamente heterogéneas que sean eficientes y sólidas. Por último, se espera que estas redes ofrezcan la flexibilidad necesaria para hacer frente a futuros avances tecnológicos, como la aparición de vehículos inteligentes y conectados.

Por ejemplo, los sistemas avanzados de automatización de la gestión del tráfico pueden aumentar la seguridad, mejorar el consumo de energía y reducir el impacto ambiental de automóviles, autobuses y otros vehículos. En este caso, el sistema centralizado de gestión del tráfico está conectado a la red a través de fibra de gran ancho de banda y comunicaciones inalámbricas backhaul. Otros elementos del sistema pueden ser (Figura 1):

• Routers Ethernet y celulares que admiten dispositivos con IP a nivel local. En algunos casos, se añade Alimentación por Ethernet (PoE) para ampliar la utilidad de la red y controlar los costes.
• Los equipos heredados pueden integrarse mediante conexiones dedicadas y puertos en serie.
• Los dispositivos locales Wi-Fi y Bluetooth pueden controlar la densidad del tráfico y los peatones con datos anónimos. Los datos resultantes pueden analizarse localmente y enviarse al sistema central de gestión del tráfico para la toma de decisiones y funciones de control de nivel superior.
• Una combinación de cámaras de tráfico, sensores como el radar o el lidar y otras fuentes de datos son utilizados tanto por los controladores de tráfico de estado sólido avanzados (ASTC) locales como trasladados al centro de gestión centralizado para la optimización en tiempo real de los flujos de tráfico.

Figura 1: La gestión automatizada del tráfico en una ciudad inteligente abarca desde la detección Wi-Fi de peatones y vehículos hasta cámaras de tráfico y controladores ASTC y un centro centralizado de gestión y control del tráfico. (Fuente de la imagen: Digi)

La eficiencia energética general, la seguridad pública y la reducción del impacto ambiental de las vías urbanas pueden mejorarse utilizando:

• Detectar y minimizar la congestión modificando los flujos de tráfico y la temporización de las señales casi en tiempo real con una combinación de controles locales y centralizados.
• Ajustar la temporización de las señales para que los autobuses y otros medios de transporte colectivo funcionen con eficacia y puntualidad.
• Los primeros intervinientes pueden recibir rutas optimizadas en tiempo real para acelerar su llegada y minimizar el impacto global en la seguridad pública.

Ciudades inteligentes del futuro

Las ciudades inteligentes de hoy en día siguen siendo, en su mayor parte, un trabajo en curso. Hay muchas posibilidades de mejoras y avances. Las futuras ciudades inteligentes se centrarán cada vez más en la eficiencia energética integrada y la mejora de la calidad de vida. Los vehículos eléctricos (e-vehículos) y los vehículos inteligentes o autónomos se convertirán en la norma. Se integrarán en viviendas inteligentes, infraestructuras de recarga inteligentes, sistemas de suministro inteligentes y sistemas de transporte de extremo a extremo, incluidos trenes, trenes ligeros y autobuses, y robotaxis eléctricos para "viajes de última milla".

Los residentes utilizarán los teléfonos inteligentes para una gama cada vez más amplia de usos, incluida la compra de billetes de bus y tren, agilizando el proceso y reduciendo aún más el impacto ambiental del transporte. Aunque el transporte seguirá siendo el principal uso de los vehículos eléctricos, no es el único.

Los vehículos comerciales, como camiones, autobuses, furgonetas de carga y reparto y equipos de construcción, son responsables de aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de CO₂ de una ciudad y de cerca del cinco por ciento de las emisiones totales de gases de efecto invernadero (GEI), según Infineon. Será necesario desarrollar una infraestructura de recarga integrada para acomodar las baterías más grandes de estos vehículos comerciales, además de recargar los vehículos de pasajeros y las e-bikes. La infraestructura de recarga tendrá que estar interconectada y controlada de forma centralizada para maximizar la velocidad de recarga para los diversos tipos de vehículos y sus casos de uso.

Para reducir el impacto ambiental y mejorar la calidad de vida y el uso eficiente de la energía, se necesitarán complejas redes inalámbricas en tiempo real que controlen el funcionamiento de las fuentes de energía renovables dispersas, las microrredes y el almacenamiento de energía, optimicen la utilización de la energía, gestionen el uso del agua y las aguas residuales y administren un amplio rango de sistemas de transporte y de otro tipo. Estas redes en tiempo real deben ser sólidas y tener latencias mínimas (Figura 2). Para respaldar la infraestructura de las ciudades inteligentes, los diseñadores necesitan herramientas que permitan desarrollar, implantar y actualizar rápidamente redes de comunicaciones complejas y dispositivos conectados.

Figura 2: Los servicios de las ciudades inteligentes dependerán de redes inalámbricas sólidas y en tiempo real para conectar diversas aplicaciones. (Fuente de la imagen: Infineon)

Redes seguras con módulos inalámbricos

Para implantar rápidamente redes seguras, los diseñadores pueden recurrir a los Módulos XBee RR Wireless de Digi basados en el sistema en chip (SoC) inalámbrico EFR32MG21B020F1024IM32-BR de Silicon Labs que incluye un núcleo ARM Cortex-M33 de 80 MHz y un subsistema de seguridad integrado. Los módulos XBee aprovechan múltiples protocolos inalámbricos y bandas de frecuencia como Zigbee, 802.15.4 y DigiMesh, así como Bluetooth de baja energía (BLE) para admitir una amplia gama de arquitecturas de red. DigiMesh es un protocolo de red en malla de igual a igual que puede reducir la complejidad del uso de ZigBee para configuraciones punto a multipunto. Estos módulos son compatibles con BLE y con la conexión a otro dispositivo BLE.

Se pueden utilizar conexiones de smartphone para configurar y programar los módulos mediante la aplicación móvil XBee. Además, los desarrolladores pueden utilizar la plataforma de configuración XCTU compatible con Windows, MacOS y Linux. XCTU utiliza una vista de red gráfica para simplificar la configuración de la red inalámbrica y una herramienta de desarrollo de marcos API para crear rápidamente marcos API XBee. Características y opciones de otros módulos:

• Las opciones de embalaje incluyen dispositivos de micromontaje de 13 milímetros (mm) x 19 mm, como el XBRR-24Z8UM, módulos de montaje en superficie, como el XBRR-24Z8PS-J, y configuraciones con orificios pasantes, como el XBRR-24Z8ST-J (Figura 3).
• La versión PRO está certificada por la FCC para su uso en América del Norte y la versión estándar cumple las normas ETSI para su uso en Europa.
• Configuraciones de módulos de baja y alta potencia
• Alcance interior/urbano de hasta 90 metros (m), según las condiciones
• En función de las condiciones, el alcance de la línea de visión exterior puede llegar hasta 3200 m (2 millas)
• La aplicación de seguridad IoT integrada simplifica la integración de la seguridad, la identidad y la privacidad de los datos de los dispositivos.

Figura 3: Las opciones de embalaje de los módulos inalámbricos Digi XBee incluyen micromontaje (izquierda), montaje en superficie (centro) y agujero pasante (derecha). (Fuente de la imagen: DigiKey).

Puertas inteligentes

Los módulos Sterling LWB+ de Laird Connectivity, como el 453-00084R, son módulos combinados WLAN y Bluetooth de 2.4 GHz de alto rendimiento diseñados para dispositivos IoT inalámbricos y puertas de enlace inteligentes. Se basan en el CI de radio de un solo chip AIROC CYW43439 de Infineon y presentan un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C, lo que los hace idóneos para una amplia gama de aplicaciones de servicios públicos inteligentes, ciudades inteligentes y energía. Los módulos Sterling LWB+ cuentan con certificaciones mundiales, como FCC, ISED, EU, MIC y AS/NZS.

Los módulos Sterling LWB+ incluyen el control de acceso al medio (MAC), la banda base y la radio, además de un Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) independiente de alta velocidad para interfaces Bluetooth. Laird Connectivity e Infineon son compatibles con los últimos controladores para Android y Linux. La antena con chip integrado es resistente a la desafinación y simplifica el diseño y la fabricación del sistema. La serie Sterling LWB+ es un sistema en paquete (SIP) y está disponible con clavija de trazado, antena de chip integrada o conector MHF4. También incluyen cifrado WPA/WPA2/WPA3. Estos módulos están disponibles en cuatro estilos de envase para satisfacer las necesidades de diversos diseños de sistemas y requisitos de aplicación (Figura 4).

Figura 4: Sterling LWB+ SIP básico (izquierda), módulo con conector MHF (segundo por la izquierda), módulo con antena integrada (tercero por la izquierda) y conector de borde de tarjeta (derecha). (Fuente de la imagen: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ incluye una entrada y salida digital segura (SDIO) de alto rendimiento que permite una fácil integración con cualquier sistema basado en Linux o Android. Para acelerar el desarrollo de dispositivos IoT inalámbricos y puertas de enlace inteligentes, los diseñadores pueden recurrir al kit de desarrollo 453-00084-K1, que incluye el módulo 453-00084R con un conector MHF integrado (Figura 5).

Imagen 5: Esta placa de desarrollo incluye el módulo 453-00084R Sterling LWB+ de Laird con un conector MHF integrado (Fuente de la imagen: Laird Connectivity).

Nodos de sensores inalámbricos de calidad industrial

Los nodos sensores inalámbricos son una parte importante de la energía inteligente y los servicios públicos en las ciudades inteligentes. Para ayudar a los diseñadores a hacer frente a las complejidades de diseñar, crear prototipos y probar rápidamente nodos de sensores inalámbricos avanzados, STMicroelectronics ofrece el kit de desarrollo y el diseño de referencia STEVAL-STWINKT1B SensorTile. Incluye una placa de expansión X-NUCLEO-SAFEA1A compatible con la autenticación de dispositivos IoT y la gestión segura de datos, un módulo transceptor Bluetooth BLUENRG-M2SA y un micrófono MEMS IMP23ABSUTR. El micrófono MEMS está diseñado para ser utilizado con el microcontrolador integrado de consumo ultrabajo para el análisis de vibraciones de datos de detección de movimiento de 9 grados de libertad (DoF) en un amplio rango de frecuencias de vibración, desde 35 Hz hasta ultrasónicas. También incluye acelerómetro, giroscopio, sensor de humedad, magnetómetro y sensores de presión y temperatura.

El kit de desarrollo SensorTile incluye acceso a una matriz de paquetes de software, bibliotecas de firmware y aplicaciones de panel en la nube para acelerar el desarrollo de sistemas de sensores IoT integrales. Un módulo integrado proporciona conectividad BLE, el transceptor RS484 admite conexiones por cable y la placa de expansión de complementos STEVAL-STWINWFV1 ofrece conectividad Wi-Fi. La placa principal incluye un conector STMod+ para añadir placas subordinadas de factor de forma pequeño basadas en la familia de microcontroladores STM32. Por último, el kit de desarrollo consta de una batería de polímero de litio de 480 mAh, una sonda de depuración y programación autónoma STLINK-V3MINI y una caja de plástico (Figura 6).

Figura 6: El kit de desarrollo y el diseño de referencia STEVAL-STWINKT1B SensorTile incluyen un completo conjunto de sensores ambientales y admiten varias opciones de conectividad. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Resumen

Se necesita una serie de protocolos de conectividad inalámbrica para satisfacer las necesidades de los sistemas inteligentes de energía y servicios públicos en las ciudades inteligentes. Estos sistemas pueden aumentar la eficiencia energética, mejorar la seguridad pública, favorecer un uso más eficiente del agua y la energía y reducir las emisiones de CO₂ y GHG. Como se ha demostrado, existe una gran variedad de módulos inalámbricos y entornos de desarrollo para los protocolos inalámbricos Wi-Fi, ZigBee y Bluetooth de baja energía que pueden proporcionar la conectividad segura y sólida necesaria para la energía inteligente y los servicios públicos en las infraestructuras de las ciudades inteligentes.