Iluminando el camino de manera segura

A medida que crece el Internet de los Objetos (IoT), se descubren más y más aplicaciones, como aquellos objetos que alguna vez fueron considerados independientes ya son parte de una amplia red conectada. Si bien esta expansión tiene la capacidad de mejorar la calidad de vida y la eficiencia, también viene acompañada de un riesgo; si se conecta se genera una ruta de acceso no deseado.

Una de las primeras aplicaciones del IoT es el hogar o el lugar de trabajo conectados, incluido el control de la calefacción y, como este artículo mostrará, la iluminación. La iluminación es un aspecto clave de la casa o la fábrica inteligentes. El control a distancia inalámbrico de la iluminación se convertirá en una parte integral de un edificio inteligente. Este artículo analizará cómo se puede configurar una red de este tipo y, lo que es igual de importante, cómo puede ser protegida contra accesos no deseados. Se considerarán los pros y los contras de los diferentes estándares de redes inalámbricas y se ofrecerán prácticos consejos útiles de diseño para configurar algunos aspectos de la red.

Protocolos y estándares

Hay varios protocolos y normas que rigen la transmisión inalámbrica y la elección se hace cada vez mayor a medida que las empresas se preparan para un IoT de rápida expansión. El más utilizado es el modelo de interconexión de sistemas abiertos OSI que separa el intercambio de datos en capas funcionales: la capa de enlace convierte bits en señales de radio, maneja los cuadros de datos para las comunicaciones inalámbricas y administra el acceso a los canales de radio; la capa de red enruta los datos a través de la red; la capa de transporte maneja las comunicaciones entre las aplicaciones que se ejecutan en dos extremos de la red; y la capa de aplicaciones se encarga de dar formato a los datos.

Si los dispositivos han de ser conectado a Internet, los mismos deben utilizar IP (protocolo de Internet). Sin embargo, en una red local, como por ejemplo en un hogar, donde se utiliza para controlar la iluminación y otros aspectos, se pueden utilizar método sin IP que solamente requiera de IP cuando las comunicaciones deban atravesar un portal de Internet con el mundo exterior. Sin embargo, algunos argumentan que es mejor dar a cada dispositivo una dirección IP y ejecutar IP incluso en la red doméstica; otros dicen que esto hace que todo sea demasiado complejo. El jurado todavía se encuentra deliberando al respecto.

En cuanto a la norma de red, wifi es una elección obvia, debido a que probablemente se encuentre ya en el hogar conectando computadoras, tabletas y teléfonos inteligentes. En el pasado, se consideraba como demasiado engorroso para las aplicaciones IoT, pero los últimos dispositivos y módulos de silicio han eliminado algunas de esas barreras. La adición de Bluetooth Baja Energía (también conocido como Bluetooth inteligente) a la cartera Bluetooth ha contribuido en defensa del uso de esta tecnología en una red doméstica; otra vez, porque ya existe en los teléfonos y las computadoras. Esta también la convierte en una buena tecnología para vincular la red doméstica a Internet a través de un teléfono inteligente o una computadora.

Con un aumento en la popularidad para las redes domésticas encontramos a ZigBee, la cual muchos creen que se convertirá en la red más popular. Esta es una red en malla de baja potencia y bajo costo. Uno de los nodos de la malla tendría que ser un portal de entrada a Internet. Para aquellos que quieren que todos los dispositivos posean una dirección IP, incluyendo las luces, 6LoWPAN puede ser la respuesta. El mismo usa IPv6 y fue creado para el IoT. Es bastante nuevo y todavía no está claro cuánta popularidad alcanzará.

Implementar redes inalámbricas

Un sistema de radio de malla como Zigbee tiene la ventaja de que se puede instalar tanto en edificios nuevos como existentes; y NXP, por ejemplo, tiene una amplia gama de dispositivos que utilizan un chip JN51xx único que se puede utilizar para construir una red basada en ZigBee, JenNet-IP e IEEE 802.15.4, en las cuales se pueda basar ZigBee, entre otros. La subcapa MAC, si se utiliza de forma adecuada, puede proporcionar un nivel de comunicaciones seguras para una red doméstica. Sin embargo, hay un modo MAC inseguro y su uso depende del nivel de seguridad necesario.

Los microcontroladores inalámbricos, como el JN5168, están diseñados para operar en la banda de radio de 2.4 GHz, que es una banda ISM disponible en todo el mundo. Una red basada en IEEE 802.15.4 podría tener que compartir su espacio de frecuencia con sistemas tales como Wi-Fi , distribución de video, Bluetooth y teléfonos inalámbricos. Sin embargo, el protocolo IEEE 802.15.4 se adapta muy bien al funcionamiento compartido de banda. Tiene dieciséis canales independientes que permiten que el sistema elija un canal que no está siendo utilizada por otros. La Figura 1 muestra un ejemplo de banda ISM.

Figura 1: Compartición de banda ISM: Por lo general, es posible encontrar canales que no son utilizados por los sistemas WLAN.

Interfaz de Iluminación direccionable digitalmente

La interfaz de Iluminación direccionable digitalmente (DALI) ha surgido como un estándar en Europa para hacer frente a los crecientes problemas de alimentación, principalmente para fines comerciales e industriales. DALI es parte de la especificación IEC 60929, y se refiere específicamente a los balastos atenuables fluorescentes con control digital. Dichos balastos pueden funcionar a niveles de energía más bajos que los balastos magnéticos estándar.

No existen especificaciones o recomendaciones sobre la forma de implementar un diseño de circuito para DALI. Los siguiente circuitos aislados ópticamente conectan un PIC16F1947 de Microchip con el bus DALI. El diagrama del circuito se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama de circuito de comunicaciones aisladas.

DALI utiliza la codificación Manchester (bifásica) para enviar los bits de inicio y de información. La tasa de información es de 1200 bps con un margen aceptable de ±10%. Un bit de tiempo es 833,33 μs. El bit más significativo es enviado primero. Cualquier paquete enviado entre el dispositivo de control y el engranaje de control es un paquete codificado Manchester bifásico. Luego se decodifica el paquete, y la dirección y los mensajes se procesan en consecuencia. Se puede crear una placa de comunicaciones de iluminación mediante un PIC16F1947 con una interfaz de circuito de comunicaciones aisladas DALI y una sencilla fuente de alimentación.

Debido a que la señal del bus DALI es invertida por el optoacoplador, esta es la forma en que el microcontrolador PIC percibe la codificación y decodificación Manchester: El código Manchester es un formato de codificación digital en el cual el símbolo "1" está representado por un borde de caída (alta, seguida de baja), y el símbolo "0" está representado por un borde de subida (baja, seguida de alta). Tanto los pulsos bajos como los altos tienen el mismo ancho, que es igual a la mitad del periodo de bits.

La decodificación Manchester es más complicada que la codificación. Al comenzar la recepción, el receptor, ya sea el engranaje de control o el dispositivo de control, se cerciora de que el paquete es recibido en su totalidad, empezando por el bit de inicio, a continuación, un mensaje de 8 o 16 bits y, finalmente, al menos dos esperas para indicar el bit de parada. La decodificación se realiza mediante el pin de interrupción externa RB0 en el PIC16F1947. Este pin se utiliza para generar una interrupción cada vez que la fase de la señal de entrada cambia. Un temporizador genera una interrupción cada 3/4 de bit, por lo que el valor se mide en ese punto, y eso decide si el bit es un "0" o un "1". El temporizador se pone a cero y se recarga en el medio del bit cuando ocurre la interrupción externa, y esto mantiene bajo control el error causado por la deriva.

Un circuito DALI con un sencillo suministro de energía y comunicaciones Manchester codificadas y decodificadas, implementado mediante un PIC16F1947 proporciona una base sólida para la aplicación y puesta en marcha de comandos DALI en los dispositivos de mando y en el engranaje de control.

Antenas dipolo de placa de CI

Muchos CI de RF utilizan puertos diferenciales para transmitir y recibir energía de radiofrecuencia. Esto hace atractivo el uso de antenas balanceadas, ya que se puede entonces descartar el balun que normalmente se necesita para convertir la potencia de RF del diferencial en los puertos de CI a señales de extremos único que pueden ser alimentadas a una antena o instrumento conectados a SMA. Una simple antena dipolo de media onda puede ser integrada en una placa de CI y funciona bien con el CI de RF CC2530 de Texas Instruments.

La antena dipolo de media onda es una de las estructuras de antenas más sencillas y más usadas en el mundo de la RF. Pueden fabricarse a partir de un trozo de alambre o una pista en una placa de CI. La antena dipolo básica de media onda es un alambre o pista con una longitud de lambda/2 y una ranura en el medio, donde se alimenta la antena. La impedancia es de aproximadamente 73 Ω, y la directividad es 2.15 dBi.

Se puede utilizar un disco de placa de CI de 40 mm para demostrar las capacidades del CC2530 cuando se utiliza como un controlador inalámbrico. Esto causa algunas limitaciones en el uso de la estructura de antena dipolo básica, siendo las principales que la antena permanezca cerca del borde de la placa y que se plegará en curva con un radio de 20 milímetros. El ancho de la pista tiene un impacto sobre el rendimiento de la antena, sobre todo el ancho de banda.

Colocar la antena cerca del borde significa que la constante dieléctrica efectiva es más difícil de determinar, ya que la herramienta de simulación 2.5D EM como Momentum no captura con precisión los efectos del sustrato finito. Cambiar la forma de la antena desde una línea recta a una curva significa que el patrón de radiación no será el mismo que el de una dipolo ideal.

Como un primer paso, simular una dipolo casi ideal con un ADS Momentum para verificar la configuración de la simulación ofrece resultados confiables. A continuación, añadir el sustrato, la curvatura y un plano de tierra para hacer un modelo de la placa final con mayor precisión. Por último, agregar alguna longitud para afinar la longitud de la antena manualmente en los primeros prototipos. Este último paso es una precaución, dada la incertidumbre de la constante dieléctrica efectiva de la antena.

Las pruebas de los prototipos y el proceso de optimización implican recortar la antena a la longitud correcta y, a continuación, añadir los componentes de filtrado y adaptación para obtener un buen intercambio de alta potencia de salida en la frecuencia de la portadora y bajos armónicos. La Figura 3 muestra la distribución final de la antena y los componentes de filtrado.

Figura 3: Diseño Definitivo de la antena y componentes de filtrado.

Conclusión

La iluminación se convertirá en una parte importante de hogares y lugares de trabajo conectados a medida que se expande el IOT. Este artículo ha considerado algunos de los estándares inalámbricos más populares, la importancia de la seguridad y de evitar la interferencia al implementar redes inalámbricas. Se ha presentado un ejemplo de circuito de iluminación controlada digitalmente además de observar cómo implementar una antena en una placa de CI para un controlador LED inalámbrico.