Cómo iniciar rápidamente la detección de IoT inalámbrica de baja potencia con módulos RF LPWAN

Al considerar la conectividad inalámbrica para un sensor de Internet de las cosas (IoT), es común que los desarrolladores piensen primero en Wi-Fi, Zigbee o Bluetooth. Sin embargo, a menudo se da el caso de que las aplicaciones requieren una menor potencia, un mayor alcance y tienen un modelo de uso diferente y velocidades de datos más bajas que las que pueden proporcionar esas tecnologías. En lugar de diseñar su propia interfaz inalámbrica desde cero e incurrir en el costo, las posibles demoras y el reproceso de este enfoque, los diseñadores pueden recurrir a módulos listos para usar para una gama de redes de baja potencia y área amplia (LPWAN) relativamente nuevas.

Estas LPWAN, que incluyen Sigfox, LoRaWAN y el nuevo Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT), están diseñadas para conectar sensores relativamente simples que operan a frecuencias de muestreo moderadas y que envían ráfagas de datos cortas e infrecuentes a largas distancias, hasta y más allá de 50 kilómetros (km). Dichas aplicaciones a menudo especifican restricciones de potencia extremadamente estrictas para maximizar la vida útil de la batería para sensores en ubicaciones remotas o inconvenientes. Idealmente, los sensores colocados en tales ubicaciones podrían funcionar de manera confiable con una batería tipo botón o AAA durante un máximo de 10 años.

Este artículo analiza los requisitos de diseño de la detección de IoT de largo alcance típica y las características de Sigfox, LoRaWAN y RIIoT. Luego introduce módulos adecuados de Pi Supply, Sigfox y Radiocrafts y muestra cómo usarlos.

Características de las LPWAN

El ancho de banda estrecho de las LPWAN es parte de su ingrediente secreto para la operación de baja potencia (Figura 1). Los principios de la teoría de la información establecen que el ancho de banda de la señal y la relación señal/ruido (SNR) tienen una relación íntima con la tasa de error de las transferencias de información. Cuanto mayor sea la SNR, o más estrecho sea el ancho de banda, menor será la tasa de error.

Figura 1: El ancho de banda estrecho de las LPWAN les permite operar en rangos más largos a menor potencia. (Fuente de la imagen: Peter R. Egli, a través de Slideshare)

Las LPWAN aprovechan esta relación para obtener transferencias de información altamente confiables a largas distancias a baja potencia de salida. Al adoptar una velocidad de datos relativamente baja, los sistemas LPWAN también reducen sus requisitos de ancho de banda de señal. El resultado es que los sistemas LPWAN pueden comunicarse a través de distancias medidas en kilómetros.

Un segundo elemento clave de los sistemas LPWAN es su uso de frecuencias en subgigahercios (GHz) en las bandas de frecuencia internacionales sin licencia industrial, científica y médica (ISM) (886 - 906 megahercios (MHz)). Operar a estas frecuencias (con longitudes de onda más largas) reduce la pérdida de trayectoria del espacio libre, aumentando su rango efectivo para una potencia de transmisión dada, según la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Donde:

d = distancia

λ = longitud de onda

A frecuencias más bajas, los obstáculos como las paredes y los edificios absorben menos energía de radiofrecuencia (RF), lo que proporciona a los sistemas LPWAN una excelente capacidad de penetración en entornos urbanos.

Los diseños basados en ISM no necesitan una licencia; sin embargo, aún así deben cumplir con las regulaciones globales de potencia y compatibilidad electromagnética para la operación de banda ISM.

Ejemplos de LPWAN

Hay múltiples opciones de LPWAN para elegir, pero para los desarrolladores que buscan un desarrollo rápido de aplicaciones de IoT basadas en sensores, tres opciones claras son LoRaWAN, Sigfox y el RIIoT de reciente introducción. Cada una de estas tiene el soporte de módulos de interfaz de radio y sensor preconfigurados que los desarrolladores pueden simplemente incluir en su diseño, así como los kits de desarrollo que facilitan la configuración rápida y el desarrollo de aplicaciones.

LoRaWAN se basa en estándares abiertos administrados por LoRa Alliance y en tecnología de radio de espectro extendido patentada, de propiedad y con licencia de Semtech Corp. La red utiliza una topología de estrella extendida, lo que permite que los nodos individuales se comuniquen con múltiples puertas de enlace, lo que permite el roaming. Admite comunicaciones bidireccionales entre puertas de enlace y nodos, permitiendo que las puertas de enlace transmitan mensajes de un nodo a otro, así como a un servidor basado en la nube.

LoRaWAN permite velocidades de datos de 300 bits/s a 50 kbits/s, maneja cargas de mensajes de hasta 243 bytes y utiliza anchos de banda de señal de 125 kilohercios (kHz) o 250 kHz. Admite velocidades de datos adaptativas para mantener la confiabilidad de la señal en condiciones cambiantes y puede alcanzar rangos de hasta 5 km en un entorno urbano y hasta 20 km de línea de visión (LoS). Los usuarios pueden desarrollar nodos y acceder a redes operadas comercialmente, o establecer redes privadas utilizando sus propias puertas de enlace y redes de retorno.

Sigfox es un protocolo patentado desarrollado y administrado por Sigfox, que otorga licencias de su tecnología a los desarrolladores de chips y brinda a los usuarios acceso a su red a través de estaciones base de puertas de enlace en todo el mundo. Al mantener sus velocidades de datos a 600 bits/s con un ancho de banda de señal de 100 hertz (Hz), Sigfox puede maximizar el rango. Puede alcanzar 40 km en condiciones de LoS y 10 km en entornos urbanos. Su protocolo liviano limita los paquetes de mensajes de enlace ascendente a 26 bytes (con un máximo de 12 bytes de datos de usuario) para que los transmisores solo se alimenten brevemente. Los nodos solo pueden enviar 140 mensajes por día, y las puertas de enlace solo pueden enviar mensajes de enlace descendente a los nodos cuatro veces al día después de recibir un mensaje de enlace ascendente de los mismos. Como resultado, los nodos pasan muy poco tiempo con sus radios activas, permaneciendo en modo de suspensión la mayor parte del tiempo para minimizar su consumo de energía.

Mientras que las radios LPWAN son de baja potencia, en el mundo real, baja potencia es un término relativo. Por ejemplo, Radiocrafts tiene dos opciones de energía distintas para sus ofertas de módulos Sigfox. El módulo de interfaz del sensor de alta potencia RC1692HP-SSM se comunica con un microcontrolador host a través de una conexión UART y ofrece puertos SPI, I²C, analógicos y GPIO para conectarse a los sensores (Figura 2). Funciona con un suministro de 2,8 a 3,6 voltios.

Figura 2: los módulos de interfaz de sensor y radio de Sigfox completos como el RC1692HP-SSM de Radiocrafts consumen tan solo 20 microamperios (µA) cuando no transmiten. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

En modo de suspensión, el módulo consume 1 µA. En modo activo con sensores conectados, consume menos de 20 µA cuando está inactivo y 292 mA durante la transmisión.

El módulo RC1682-SSM de menor potencia apunta al mercado europeo y consume mucha menos corriente, solo 58 mA cuando transmite.

RIIoT es una de las opciones más nuevas de LPWAN para consideración de los desarrolladores. Está construido sobre el estándar IEEE 802.15.4g/e de capa física (PHY) desarrollado inicialmente para aplicaciones de medición inteligente y control de procesos. Agrega funciones de RF y control de acceso a medios (MAC) para admitir bajo consumo de energía, largo alcance y seguridad avanzada. La comunicación es bidireccional a través de una red en estrella, proporcionando retrasos de red predecibles de menos de 15 ms para aplicaciones de control casi en tiempo real.

RIIoT ofrece dos velocidades de datos (5 kbits/s y 50 kbits/s) y dos niveles de potencia para que los desarrolladores puedan optimizar el equilibrio entre la duración de la batería, la velocidad de datos y el rango para adaptarse mejor a sus necesidades. En la configuración de baja velocidad y alta velocidad de datos, las redes RIIoT pueden alcanzar un rango de 5 km LoS y 200 metros (m) urbanos, transmitiendo en ráfagas de 3,5 milisegundos (ms). Con una mayor potencia de salida a velocidades de datos más bajas, su alcance puede llegar a 60 km LoS y 2 km urbanos en ráfagas de 45 ms. La corriente de reposo para los nodos terminales típicos es de 0,7 microamperios (µA).

La construcción de una red RIIoT implica tres elementos principales: un nodo, una puerta de enlace y un software controlador de red. Los nodos individuales "terminales" usan un módulo como RC1880CEF-SPR de Radiocrafts, que integra un convertidor analógico a digital (ADC) junto con interfaces GPIO, I²C, SPI y UART. Estos nodos se comunican de forma inalámbrica a una PC con Linux que utiliza cualquiera de los dos módulos compatibles RC1880CEF-GPR en una placa que se puede insertar en una ranura de expansión, o un dongle USB conectado a uno de sus puertos USB.

Para convertir completamente la PC en una puerta de enlace RIIoT, el desarrollador debe instalar un tercer elemento: el middleware RIIoT Net Controller. Este software no solo administra la red, incluidas las actualizaciones de firmware por aire en nodos terminales, sino que también convierte datos y comandos en objetos JSON para simplificar la interfaz con la nube.

Figura 3: Una red RIIoT completa contiene nodos terminales, una PC con Linux que aloja un módulo de puerta de enlace y un software controlador. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Una de las adiciones clave que RIIoT agrega al estándar subyacente IEEE202.15.4 es la capacidad de implementar seguridad de extremo a extremo en las transmisiones de datos. Si bien Sigfox no admite el cifrado y LoRaWAN admite el cifrado en sus enlaces inalámbricos entre el nodo y la puerta de enlace, RIIoT lleva la seguridad un paso más allá.

Con RIIoT, cada nodo puede tener una clave de seguridad única, lo que permite que el sistema mantenga el mensaje cifrado desde el nodo hasta el programa de aplicación basado en la nube que interactúa con él. Las puertas de enlace simplemente pueden pasar el mensaje cifrado; no necesitan acceder a los contenidos.

Acelere el diseño utilizando módulos y kits: RIIoT

Los desarrolladores que deseen implementar redes LPWAN IoT pueden obtener una ventaja rápida en sus esfuerzos de diseño mediante el uso de uno de los muchos módulos de interfaz de sensor y RF preconfigurados disponibles para las diversas redes. Dichos módulos ya han resuelto todos los problemas complicados del diseño de RF, la minimización de energía y la implementación de protocolos, lo que los convierte esencialmente en un dispositivo de comunicaciones directo para el procesador host. Además, los módulos están precertificados para cumplir con los requisitos reglamentarios para las bandas ISM. Los desarrolladores aún necesitarán certificar su producto final, pero tener el elemento de radio ya probado hace que la certificación final sea considerablemente más fácil y segura.

Estos módulos también ayudan a acelerar el diseño al proporcionar interfaces de sensor integradas y lógica de control. El RC1880CEF-SPR de Radiocrafts, por ejemplo, tiene interfaces para entrada analógica a un ADC, GPIO para interruptores, I²C y SPI para sensores compatibles, y un UART para conectarse al procesador host (Figura 4). Los desarrolladores pueden incluir este módulo en su diseño para resolver las comunicaciones inalámbricas y las necesidades de interfaz del sensor para su sistema. El módulo se puede programar para manejar la configuración, el control y el muestreo del sensor por sí solo, lo que simplifica la tarea del procesador de la aplicación. Los sensores y las comunicaciones simplemente parecen memorias de lectura y escritura en el código de la aplicación.

Figura 4: Los módulos para sistemas LPWAN pueden incluir radios e interfaces de sensores, lo que los hace más fáciles de diseñar en sistemas de sensores IoT. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Los kits de desarrollo, como el RC1880-RIIOT-DK, pueden ayudar a los desarrolladores a configurar rápidamente una red RIIoT completa de extremo a extremo para la experimentación. Este kit incluye los nodos terminales, los módulos de puerta de enlace y el software del sistema para una red completa. También se incluyen herramientas de software para programar los nodos terminales en C para manejar los sensores conectados.

Módulos y kits de desarrollo para LoRaWAN y Sigfox

Los módulos preconfigurados para una fácil implementación del sistema IoT también están disponibles para LoRaWAN. Un buen ejemplo es el módulo LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply (Figura 5).

Figura 5: El módulo LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply tiene una interfaz de sensor incorporada junto con un puerto serial para permitir que un microcontrolador host lo controle utilizando comandos AT estándar. (Fuente de la imagen: Pi Supply)

Este dispositivo ofrece un puerto serial a un microcontrolador host que controla el módulo utilizando comandos AT estándar. Para ayudar a configurar una red completa, el kit de desarrollo PIS-1037 para el PIS-1019 contiene un módulo concentrador de puerta de enlace que puede convertir un controlador PCIe host en un punto de acceso de puerta de enlace/enrutador (Figura 6).

Figura 6: Los usuarios de LoRaWAN pueden establecer su propia puerta de enlace de red utilizando los recursos de PIS-1037 de Pi Supply, el kit de desarrollo para el PIS-1019. (Fuente de la imagen: Pi Supply)

Radiocrafts también tiene kits completos de desarrollo de Sigfox como el kit RC1692HP-SSM-DK para el módulo RF RC1692HP-SSM y el RC-1682-SSM DK para el módulo de RF RC1682-SSM. Esto permite probar y desarrollar módulos de radio Sigfox desde el primer momento. Los kits vienen con sensores de temperatura y humedad, un acelerómetro y un sensor de efecto Hall.

Sin embargo, los desarrolladores que usan Sigfox no tienen la opción de crear sus propias redes. Sigfox opera y mantiene las puertas de enlace del sistema y las redes de retorno, por las cuales los usuarios pagan una tarifa de acceso. Sin embargo, los módulos vienen completos con identificaciones precodificadas y claves de cifrado, y comenzarán a entregar datos a la nube de Sigfox con una configuración mínima, una vez registrados.

Conclusión

Para los diseñadores que buscan conectar sensores de baja velocidad de datos al IoT en un largo rango a baja potencia, las soluciones LPWAN como RIIoT, LoRaWAN y Sigfox ofrecen alternativas convincentes a Wi-Fi, Zigbee o redes celulares con licencia. Cada una tiene sus respectivas ventajas, pero todas pueden abordar aplicaciones que van desde medidores inteligentes hasta agricultura inteligente.