Cómo utilizar los módulos GNSS para crear soluciones de ciudades inteligentes con conocimiento de la ubicación

Los servicios de localización (LAS) en las ciudades inteligentes se están desplegando en diversos ámbitos, como los servicios gubernamentales, el transporte, la gestión del tráfico, la energía, la sanidad y el agua y los residuos, y creando ciudades más seguras, sostenibles y mejor conectadas. En estas aplicaciones suele ser necesario conocer las distancias entre los dispositivos cercanos. La demanda de capacidad basada en la posición mediante receptores del sistema global de navegación por satélite (GNSS) multiconstelación para los sistemas de navegación por satélite Galileo de Europa, GPS de Estados Unidos, GLONASS de Rusia y BeiDou de China está creciendo en las aplicaciones de LAS. Las ventajas de utilizar receptores GNSS multiconstelación son, entre otras, una mayor disponibilidad de las señales de posición, navegación y temporización (PNT), una mayor precisión e integridad y una mayor solidez. Pero el desarrollo de receptores multiconstelación es una actividad compleja y que requiere mucho tiempo.

Este artículo revisa importantes consideraciones de diseño del sistema cuando se utilizan receptores GNSS multiconstelación antes de presentar las plataformas GNSS y los entornos de desarrollo de u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales y Arduino para el desarrollo eficiente y rentable de aplicaciones de ciudades inteligentes con conciencia de la ubicación.

Las mejoras en la tecnología GNSS, especialmente la reducción de los requisitos de energía, han sido fundamentales para el aumento del uso del GNSS y la proliferación del LAS en las aplicaciones de las ciudades inteligentes. El consumo de energía de los receptores del GNSS se ha reducido de 120 miliWatios (mW) en 2010 a 25 mW en 2020 (Figura 1). De hecho, la demanda de energía del receptor GNSS ha disminuido más rápidamente que las necesidades de energía de la mayoría de los demás componentes del sistema LAS. Las antiguas tecnologías GNSS consumían mucha energía en comparación con los demás elementos del sistema. En la actualidad, las necesidades de energía del GNSS suelen ser un porcentaje de un solo dígito del presupuesto total de energía.

Figura 1: El consumo de energía de los receptores GNSS ha disminuido de 120 mW en 2010 a 25 mW en 2020. (Fuente de la imagen: u-blox)

Desafíos en el consumo de energía

Mientras que el consumo de energía del receptor GNSS ha disminuido drásticamente, las complejidades para conseguir la solución óptima de potencia/rendimiento se han multiplicado. No todos los diseños del LAS necesitan estimaciones continuas de la posición del GNSS o altos niveles de precisión de la posición. Los diseñadores disponen de varias herramientas para optimizar el rendimiento y el consumo de energía del GNSS, incluyendo la optimización del hardware y los enfoques basados en el firmware.

El uso de componentes de bajo consumo, especialmente los amplificadores de RF de bajo ruido (LNA), los osciladores y los relojes en tiempo real (RTC), es el primer paso para desarrollar soluciones GNSS de bajo consumo. La elección entre antenas activas y pasivas es un buen ejemplo. Las antenas pasivas son más baratas y eficaces, pero no satisfacen las necesidades de todas las aplicaciones. Una antena activa puede ser una buena opción en los cañones urbanos, en el interior de los edificios o en otros lugares con poca intensidad de señal. El LNA de la antena activa aumenta significativamente la capacidad de recibir señales débiles, pero también consume cantidades importantes de energía. Cuando el consumo de energía es crítico, y el tamaño de la antena no es tan importante, una antena pasiva más grande a menudo puede proporcionar el mismo rendimiento que una antena activa más pequeña, al tiempo que proporciona una alta disponibilidad de posición y niveles de precisión.

La mayoría de los receptores GNSS pueden proporcionar velocidades de actualización de 10 hercios (Hz) o más, pero la mayoría de las aplicaciones LAS funcionan bien con velocidades de actualización mucho más lentas y que consumen menos energía. La selección de la tasa de actualización óptima puede tener el mayor impacto en el consumo de energía. Además de las consideraciones basadas en el hardware, los diseñadores disponen de una serie de herramientas de firmware a la hora de optimizar el consumo de energía, incluyendo las tasas de actualización, el número de constelaciones GNSS rastreadas simultáneamente, el GNSS asistido y una variedad de modos de ahorro de energía (Figura 2).

Figura 2: Además de utilizar la solución de hardware más eficiente, los diseñadores disponen de varias herramientas de firmware para optimizar el rendimiento del GNSS y el consumo de energía. (Fuente de la imagen: u-blox)

Puede ser necesario rastrear múltiples constelaciones GNSS simultáneamente en entornos difíciles. Si bien la recepción de señales mediante varias bandas puede garantizar una sólida determinación de la posición, también aumenta el consumo de energía. Es importante entender el entorno operativo específico, especialmente lo abierta que es la vista del cielo, y utilizar el número mínimo de señales GNSS requeridas para apoyar las necesidades de la aplicación LAS en particular.

La desactivación de la función GNSS es la que más energía ahorra, pero provoca un arranque en frío cada vez que se enciende. El tiempo hasta la primera fijación (TTFF) para un arranque en frío puede ser de 30 segundos, o más, dependiendo de la disponibilidad y la fuerza de las señales GNSS y del tamaño y la colocación de la antena. El GNSS asistido puede reducir el TTFF sin dejar de proporcionar información precisa. El GNSS asistido puede implementarse de varias maneras, incluyendo la localización actual y prevista de los satélites y los parámetros de tiempo (llamados "datos de efemérides"), el almanaque y los datos precisos de corrección del tiempo y del estado de los satélites descargados a través de Internet en tiempo real o a intervalos de hasta varios días. Algunos receptores GNSS tienen un modo autónomo que calcula internamente las predicciones de la órbita GNSS, eliminando la necesidad de datos externos y de conectividad. Sin embargo, el uso del modo autónomo puede requerir que el receptor se encienda periódicamente para descargar los datos de las efemérides actuales.

Modos de ahorro de energía

Además de las opciones de conectividad, como el GNSS asistido, muchos receptores GNSS permiten a los diseñadores seleccionar entre una serie de compensaciones entre las tasas de actualización y el consumo de energía, incluyendo el seguimiento continuo, el seguimiento cíclico, el funcionamiento on/off y el posicionamiento instantáneo (Figura 3). La selección del modo de seguimiento óptimo es otra consideración importante a la hora de definir el rendimiento de una aplicación específica. Si las condiciones de funcionamiento cambian, haciendo que el modo óptimo de ahorro de energía no esté disponible, el sistema debe cambiar automáticamente al siguiente modo de mayor ahorro de energía para garantizar la funcionalidad continua.

Figura 3: Los modos de funcionamiento de ahorro de energía deben ajustarse a las tasas de actualización necesarias para optimizar el rendimiento del sistema GNSS. (Fuente de la imagen: u-blox)

El seguimiento continuo es adecuado para aplicaciones que requieren unas pocas actualizaciones por segundo. El receptor GNSS adquiere su posición en este modo, establece una posición fija, descarga los datos del almanaque y las efemérides, y luego cambia al modo de seguimiento para reducir el consumo de energía.

El seguimiento cíclico implica varios segundos entre las actualizaciones de posición y es útil cuando las señales y/o las antenas son lo suficientemente grandes como para asegurar que las señales de posición sean accesibles según sea necesario. Se puede ahorrar más energía si el seguimiento no requiere la adquisición de nuevos satélites.

El funcionamiento de encendido/apagado implica la conmutación entre las actividades de adquisición/trazado y el modo de reposo. El tiempo en reposo suele ser de varios minutos y el funcionamiento de encendido y apagado requiere señales GNSS fuertes para minimizar el TTFF y, por tanto, el consumo de energía tras cada periodo de reposo.

El posicionamiento instantáneo ahorra energía utilizando el receptor GNSS para el procesamiento local de la señal, combinado con recursos de computación en la nube para el procesamiento de la estimación de la posición, que es más intensivo desde el punto de vista informático. Cuando se dispone de una conexión a Internet, el posicionamiento instantáneo puede reducir el consumo de energía del receptor GNSS en un factor de diez. Esta solución puede ser una estrategia eficaz de ahorro de energía cuando solo se necesitan unas pocas actualizaciones de posición al día.

La antena integrada admite el aumento del GNSS

Los diseñadores pueden recurrir al módulo de antena de parche SAM-M8Q de u-blox para los sistemas que se benefician de la recepción simultánea de las señales GNSS de GPS, Galileo y GLONASS (Figura 4). El uso de tres constelaciones a la vez permite obtener una gran precisión de posición en entornos difíciles, como los cañones urbanos o cuando se reciben señales débiles. Para acelerar el posicionamiento y mejorar la precisión, el SAM-M8Q admite funciones de aumento, como el sistema de satélites cuasi-cenitales (QZSS), la navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN) y el sistema de mensajería en interiores (IMES), junto con el sistema de aumento de área amplia (WAAS), el servicio de superposición de navegación geoestacionaria europea (EGNOS) y el sistema de aumento de satélites MTSAT (MSAS).

Figura 4: El módulo SAM-M8Q admite la recepción simultánea de hasta tres fuentes GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Fuente de la imagen: u-blox)

El módulo SAM-M8Q también puede utilizar el servicio de asistencia u-blox AssistNow que proporciona parámetros de difusión GNSS, incluyendo datos de efemérides, almanaque, además de la hora o la posición aproximada, para reducir el TTFF significativamente. La validez ampliada de los datos de AssistNow Offline (hasta 35 días) y de los datos de AssistNow Autonomous (hasta 3 días) permite un TTFF más rápido incluso después de un tiempo prolongado.

Esta plataforma de desarrollo de Google Cloud para el Internet de las cosas (IoT) proporciona una forma sencilla de conectar y asegurar las aplicaciones basadas en MCU PIC. GNSS 4 click de MikroElektronika contiene un módulo SAM-M8Q y está diseñado con la placa de desarrollo PIC®-IoT WG de Microchip Technology para acelerar el desarrollo de las aplicaciones LAS para ciudades inteligentes (Figura 5). La placa de desarrollo PIC-IoT WG ofrece a los usuarios de Google Cloud IoT una forma de acelerar el desarrollo de aplicaciones seguras conectadas a la nube. Además, la placa PIC-IoT WG ofrece a los diseñadores herramientas de análisis y aprendizaje automático.

Figura 5: La placa GNSS 4 click lleva el módulo de antena de parche SAM-M8Q de u-blox. (Fuente de la imagen: DigiKey).

GNSS multiconstelación y conectividad inalámbrica

Para los pequeños dispositivos LAS, como los rastreadores, que pueden beneficiarse de la compatibilidad con el GNSS multiconstelación (GPS/Galileo/ GLONASS) y la conectividad global LPWAN LTE desde un único módulo que aprovecha la tecnología Rel. Generación de 14 segundos Cat. M1/NB1/NB2, los diseñadores pueden recurrir al módulo Cinterion TX62 de Thales (Figura 6). El tamaño de la solución puede optimizarse aún más gracias a la arquitectura flexible del módulo, que admite la ejecución de aplicaciones mediante un procesador anfitrión o dentro del módulo mediante el procesador integrado. El TX62 es compatible con el modo de ahorro de energía 3GPP (PSM) y la recepción discontinua extendida (eDRx) para aplicaciones sensibles a la energía. Los tiempos de sueño del PSM suelen ser mucho más largos que los del eDRX. Estos tiempos de reposo más largos permiten que el dispositivo entre en un modo de reposo más profundo y de menor consumo que el eDRX. La potencia de reposo de PSM es inferior a diez microamperios, mientras que la de eDRX es de hasta 30 microamperios.

Figura 6: El módulo IoT TX62 admite comunicaciones LTE-M, NB1 y NB2 y GNSS multiconstelación. (Fuente de la imagen: Thales)

Las características de seguridad del TX62 incluyen el almacenamiento seguro de claves y la gestión de certificados para apoyar la inscripción de confianza en las plataformas en la nube mientras se protege el dispositivo y los datos, además de las identidades de confianza preintegradas en la raíz del TX62 durante la fabricación. Cuando sea necesario, los diseñadores pueden especificar una eSIM integrada opcional que puede simplificar los procesos logísticos y de fabricación y mejorar la flexibilidad sobre el terreno gracias a las actualizaciones dinámicas de las suscripciones y el aprovisionamiento remoto.

El desarrollo de LAS en las aplicaciones de Arduino Portenta H7 se simplifica utilizando el Portenta Cat. Escudo M1/NB IoT GNSS (Figura 7). El escudo combina la potencia de edge computing del Portenta H7 con la conectividad del TX62 para permitir el desarrollo del seguimiento de activos de LAS y la monitorización remota en aplicaciones de ciudades inteligentes, así como en áreas industriales, agrícolas y de servicios públicos, entre otras. El sistema básico de Portenta Cat. Escudo M1/NB IoT GNSS no incluye una antena GSM/UMTS. En lugar de buscar una antena compatible, los diseñadores pueden utilizar la antena impermeable pentabanda de Arduino.

Figura 7: El Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield incluye el módulo TX62-W IoT (cuadrado amarillo grande). (Fuente de la imagen: Arduino)

Ventajas adicionales del Portenta CAT.El escudo M1/NB IoT GNSS incluye:

• Posibilidad de cambiar la conectividad sin cambiar la placa
• Añadir posicionamiento más NB-IoT, CAT.M1 cualquier diseño basado en Portenta
• Reducción significativa de los requisitos de ancho de banda de las comunicaciones en los dispositivos IoT
• Formato compacto de 66 mm x 25.4 mm
• Funcionamiento de -40 °C a +85 °C (-104 °F a 185 °F)

Resumen

Los avances en la tecnología GNSS de bajo consumo y alto rendimiento son factores que impulsan el crecimiento de las aplicaciones LAS para ciudades inteligentes. Sin embargo, utilizar simplemente el hardware más eficiente desde el punto de vista energético es solo el punto de partida; es igualmente importante optimizar el firmware para llegar a una solución óptima y eficiente desde el punto de vista energético. Existen numerosas combinaciones de hardware y firmware entre las que elegir a la hora de desarrollar aplicaciones LAS basadas en GNSS y los diseñadores pueden recurrir a diversas herramientas de evaluación para acelerar el proceso de desarrollo.