Integración en el Internet de las cosas

¿Qué dispositivo inalámbrico funciona para el Internet de las cosas?

Para muchos tipos de aplicaciones, el proceso de selección de componentes es relativamente sencillo, pero para los semiconductores programables, tales como los microcontroladores, el equipo de desarrollo debe considerar un espectro mucho más amplio de criterios: la disponibilidad de herramientas de desarrollo, los proveedores de equipos de programación de fin de línea y la calidad del código compilado, todos estos factores deben tenerse en cuenta.

Con el rápido crecimiento en las aplicaciones para el Internet de las cosas (IoT), a menudo surge la necesidad de integrar uno o más protocolos inalámbricos a un producto. Por supuesto, existen varios módulos en el mercado que pueden abordar el "problema" de la tecnología inalámbrica, pero este tipo de soluciones, con sus conocimientos integrados y funcionalidad de firmware fija, puede carecer de la flexibilidad necesaria, no llegar al precio deseado u ocupar demasiado espacio en la placa del circuito. Si se requiere una solución de chip programable con capacidad de conexión inalámbrica, o un módulo exclusivamente inalámbrico para ampliar la capacidad de un microcontrolador, el equipo de desarrollo tendrá que considerar qué paquetes de software están disponibles junto con cualquier tipo de restricciones en cuanto a las opciones de herramientas de desarrollo que el paquete de software pueda ofrecer.

Las opciones de Silicon para las soluciones inalámbricas IEEE 802.15.4

Las soluciones IEEE 802.15.4 más recientes de Atmel se comercializan como la familia de dispositivos SAMR21, una solución de chip único que integra un procesador ARM Cortex M0+ capaz de funcionar a una velocidad de hasta 48 MHz con un transceptor de 2.4 GHz de bajo consumo de energía. El transceptor ofrece una potencia de transmisión de hasta +4 dBm y una sensibilidad de receptor de -101 dBm Disponible con dieciséis clavijas de E/S en paquete QFN32, o veintiocho clavijas de E/S en paquete QFN48 y con un máximo de 256 KBytes de memoria Flash y 32 kBytes de SRAM, estos productos son ideales para diseños que necesitan altos niveles de integración.

Si el diseño de RF no es su fuerte, entonces los módulos inalámbricos precertificados MRF24J40Mx de Microchip también deberían resultar muy tentadores. Funcionan en el rango de frecuencia de 2.4 GHz e incluyen una antena PCB opcional y PA/LNA opcionales para aplicaciones que requieren un mayor alcance, además de una interfaz SPI fácil de configurar. Con la opción PA/LNA, la potencia de transmisión se encuentra en +20 dBm y la sensibilidad del receptor alcanza los -102 dBm Como el módulo sólo ofrece el transceptor de RF, el equipo de diseño puede elegir libremente su propio MCU para controlar el módulo a través de su interfaz SPI.

Herramientas de desarrollo de Hardware

Para facilitar las tareas del equipo de desarrollo, Atmel ha lanzado la placa de desarrollo ATSAMR21-XPRO (Figura 1) capaz de replicar su exitoso formato "Xplained". Las últimas placas de desarrollo han seguido este mismo estilo que de manera sumamente útil logran que las clavijas de los MCU se encuentren disponibles en conectores de fácil utilización en los bordes de la placa. Además, las placas ofrecen un potente depurador integrado en placa conocido como el EDBG. El mismo incluye una interfaz de depuración de cable serial (SWD) ARM estándar para depurar y programar el MCU de destino y un puerto COM virtual, que permite la fácil transferencia de datos seriales (USART) entre el MCU y el host de la computadora: la solución ideal para extraer mensajes de depuración a partir del código de la aplicación. Su conector Micro-USB también funciona como una de las posibles fuentes de energía. En el lado inalámbrico, están disponibles tanto una antena de chip, así como un conector SMA, lo cual simplifica tanto el desarrollo del sistema como las pruebas de rendimiento de RF. El consumo de energía, fundamental en los diseños a baterías, se puede medir fácilmente a través del cabezal de la placa.


Figura 1: El SAMR21-XPRO ofrece fácil acceso a las clavijas del microcontrolador a lo largo de los bordes de la placa, un depurador en placa, una antena de chip y un conector SMA.

Freescale ha adoptado un enfoque diferente con su Kit de Inicio de Desarrollo 1322X (DSK). Desde el comienzo, el kit funciona como una aplicación de estación meteorológica basada en dos diferentes placas de referencia; una Placa de Referencia de Sensor con sensores de temperatura, presión y aceleración; y una placa de coordinador de red con una pantalla LCD gráfica. Ambas placas también disponen de una palanca de mando, botones y ledes para la vigilancia y el control, así como una interfaz USB para conectar a una computadora. Las fuentes de alimentación están incluidas en el kit, pero los conectores de la batería muestran que Freescale ha admitido la necesidad de realizar una evaluación ambiental y realizar pruebas dentro del laboratorio a la hora de desarrollar sus productos. También se incluye un depurador JTAG J-Link en este kit.

El MRF24J40MA PICtail/PICtail Plus es una simple tarjeta de extensión equipada con conectores PICtail y PICtail Plus patentados de Microchip que se encuentran también en sus placas de desarrollo de microcontroladores. Esto simplifica su uso con la placa PIC18 Explorer para aplicaciones menos exigentes donde el rendimiento de 8 bits es más que apropiado, o su Placa de desarrollo Explorer 16 que requiere una potencia de 16/32 bits. Tenga en cuenta que también se deben adquirir herramientas de depuración en circuito, como las MPLAB ICD 3 o las MPLAB REAL ICE para su íntegro desarrollo.

Herramientas de desarrollo de Software

Atmel mantiene su propio IDE, el Atmel Studio 6, que se pueden descargar y usar en forma gratuita. Sin embargo, la instalación completa requiere un tamaño superior a 850 MB, por lo que es aconsejable contar con el tiempo necesario para descargar e instalar. Una vez instalado, el usuario tiene casi todo lo que se necesita para el desarrollo de software inalámbrico incluida una cadena de herramientas GCC GNU, el Marco de Software de Atmel (ASF), un conjunto de API que simplifican la programación y la utilización de periféricos en chip; y una gran variedad de proyectos de ejemplo incluidos más de un centenar pensados para el ATSAMR21-XPRO. La unidad Extension Manager incorporada también ofrece módulos adicionales, como el compositor inalámbrico y el analizador de rendimiento inalámbrico, que simplifican la configuración y las pruebas de rendimiento de la conexión inalámbrica.

Si utiliza los módulos MRF24J40x con un microcontrolador de Microchip (Figura 2), también se requiere el IDE MPLAB X, disponible para la descarga por menos de 400 MB. Este IDE se puede ejecutar en los sistemas operativos Linux, MAC y Windows. Las cadenas de herramienta de compilación deben descargarse por separado y las versiones gratuitas de los compiladores MPLAB XC poseen soporte limitado para la optimización. Una actualización a una licencia paga permite plena capacidad de optimización. El Wireless Development Studio, disponible como descarga separada, proporciona detección de red para las redes MiWi™ mediante el uso de la herramienta Adaptador Inalámbrico ZENA, también de Microchip.


Figura 2: El MRF24J40A es un módulo certificado con antena PCB que permite a los desarrolladores seleccionar un microcontrolador para cubrir sus necesidades.

Pilas de software inalámbricas

El dispositivo IEEE 802.15.4 está íntimamente relacionado con ZigBee® y, caso de que requerir interoperabilidad con esas redes, Atmel ofrece el Bit Cloud SDK, una pila certificada ZigBee® PRO. Si no es necesaria la interoperabilidad inalámbrica, Atmel ofrece su propia pila de red denominada "Malla ligera". Admite más de 65.000 nodos en una malla y con un espacio de memoria típica SRAM de 4kB o Flash de 8 kB, esta pila debería ser más que apta para la mayoría de las necesidades de sistema (AVR2130 ref. 1). Para los más osados que deseen programa a nivel MAC del IEEE 802.15.4, también hay software disponible para comunicación compatible con la especificación sin el costo adicional de una pila (AVR2025 ref. 2).

Al igual que las otras soluciones, Freescale ofrece también sus propias pilas calificadas ZigBee® denominadas "BeeStack". Al igual que las demás empresas, Freescale ofrece una exclusiva oferta de la red de malla, llamada SynkroRF, y ofrece un controlador y nodos controlados. Para el más sencillo de los sistemas, donde el punto-a-punto o una red en estrella son suficiente, también está disponible el protocolo de red inalámbrica SMAC. Todas las pilas de protocolo son gratuitas y están disponibles en el apartado de descarga de software BeeKit. Tras la descarga y la instalación, se pueden generar los archivos de software necesarios para su inclusión en un proyecto IAR junto con la documentación necesaria.

La pila ZigBee® PRO de Microchip cuesta alrededor de US$1000, pero también se incluye su propia pila MiWi™ sin costo adicional. La versión más sencilla, MiWi™ P2P, es una pila ligera pensada para las tipologías de red punto a punto o estrella. El dispositivo MiWi™ PRO es una completa pila de red de malla que admite un total de 8000 nodos, sesenta y cuatro nodos de coordinación y una distancia de salto de sesenta y cinco. Un dispositivo de coordinación requiere menos de 25 KB de Flash, un dispositivo de nodo final de alrededor de 13 KB La nota de la aplicación AN1629 ofrece un estudio en profundidad del rendimiento de la conexión inalámbrica y el cálculo de presupuesto de enlace, que clarifica muchas de las cuestiones primordiales que un equipo puede abordar en cuanto al rendimiento total del sistema.

Resumen

Para algunos hay una multitud de opciones al momento de conectar un producto en forma inalámbrica a redes IEEE 802.15.4 en el IoT. Todos los proveedores tienen una amplia gama de pilas de protocolo y la mayoría se pueden probar con un mínimo esfuerzo utilizando los kits revisados y con la descarga del software correspondiente. Las soluciones de Atmel y Freescale se destacan a la hora de considerar el espacio en placa y la alta integración como factores clave. Pero cuando el espacio no es la mayor preocupación, un módulo transceptor inalámbrico certificado de Microchip con la flexibilidad de elegir un microcontrolador puede ser la opción más atractiva.

Referencias:

• Atmel
  1. Nota de la aplicación AVR2130: Guía para Desarrolladores de malla ligera
  2. Nota de la aplicación AVR2025: Paquete de Software MAC IEEE 802.15.4: Guía del usuario
• Freescale
  1. Kit de conectividad inalámbrica Beekit
• Microchip
  1. Nota de la aplicación UNA1629: Simple estimación de presupuesto de enlace y mediciones de rendimiento de módulos radio de 2.4 GHz de Microchip