Consumo de energía bajo, comunicación y seguridad en los diseños de IoT industriales

El consumo de energía y la seguridad son dos de las preocupaciones más recurrentes para los diseñadores de sistemas integrados, especialmente las aplicaciones de control y comando del sensor de IoT.

Es importante para los diseños de IoT industriales que un microcontrolador no solo consuma la menor cantidad de energía promedio posible, sino que también ofrezca características que permitan el mínimo consumo de energía en el resto del diseño también.

Para las aplicaciones solo de alimentación de batería o bajo consumo, la tecnología eXtrema Low-Power (XLP) de Microchip que se encuentra en la familia de microcontroladores PIC24F permite un comando básico de muy baja energía y comunicación de control para los sensores de IoT a través de la conexión Bluetooth^® LE (BLE) y la seguridad añadida con un motor de cifrado de hardware integrado.

Consumo extremadamente bajo

A medida que más aplicaciones electrónicas requieran alimentación de batería o consumo bajo, la conservación de la energía se vuelve en aspecto primordial. Las aplicaciones actuales deben consumir poca energía y, en algunos casos extremos, durar hasta 20 años o más con una sola batería. Para permitir aplicaciones como estas, los productos con la tecnología eXtreme Low-Power (XLP) de Microchip ofrecen corrientes de inactividad muy bajas, donde las aplicaciones de consumo de energía extra bajo permanecen el 90 al 99% de las veces. Tal como se ve en la figura 1, la tecnología XLP de 16 bits permite corrientes de inactividad de hasta 40 nA y corrientes de funcionamiento de 180 μA/MHz.

Figura 1: consumo de corriente PIC24FJ128GB204 para diferentes modos de inactividad

Un gran ejemplo de este tipo de dispositivos de consumo de energía extremadamente bajo es el microcontrolador PIC24FJ128GB204 de Microchip. Ofrece varias opciones de administración de energía para recursos de activación flexible y reducción de consumo extremo, como inactividad profunda, permitiendo un apagado prácticamente total con la capacidad de activarse con activadores internos o externos, tales como cuando un sensor ambiental necesita tomar una lectura asincrónica/periódica. Los modos de inactividad o improductivos apagan selectivamente los periféricos o el núcleo para una reducción sustancial de la energía y una activación rápida para aquellas interrupciones de aplicaciones más críticas, tales como en un detector de movimiento de cámara. El modo de suspensión permite que la CPU funcione con una velocidad de reloj inferior que la de los periféricos y un modo de reloj alternativo permite una conmutación en el momento para una velocidad de reloj reducida para una reducción de energía selectiva. Otro nuevo modo de inactividad es la inactividad de retención de bajo voltaje que tiene circuitos clave que se alimentan con un regulador de voltaje bajo independiente. También tiene un pin Vbat que permite que el dispositivo realice una transición de una batería de respaldo para el menor consumo de energía a un reloj/calendario en tiempo real.

Tener un microcontrolador que permite un consumo de energía extremadamente bajo con muchos modos de inactivación y activación flexibles es fundamental en una aplicación con limitaciones de energía. El bajo consumo también es fundamental en todas las funciones del sistema como las comunicaciones.

Consumo de energía bajo

Al detectar datos y ejecutar códigos, las aplicaciones deben procesar y transmitir la información tan rápido y eficientemente como sea posible y luego regresar al modo de inactividad para optimizar la vida útil de la batería. Muchas aplicaciones solo necesitan un comando simple y control o una actualización de estado rápida desde un sensor. Al tratar de satisfacer estas necesidades, Bluetooth de baja energía (LE) ha evolucionado para admitir estas aplicaciones de ciclo de trabajo bajo. Según la página de especificación Bluetooth SIG, "Bluetooth LE permite ráfagas cortas de conexiones de radio de rango largo, por lo que es ideal para aplicaciones de Internet de las cosas (IoT)  que no requieren una conexión continua, pero dependen de la duración prolongada de la batería". BLE opera en la misma banda de espectro (Banda ISM de 2.400 GHz a 2.4835) como tecnología Classic Bluetooth, pero usa un conjunto diferente de canales y técnicas de modulación diferentes. Puede leer más en la especificación BLE 4.x en el sitio web Bluetooth SIG bajo especificaciones.

Microchip admite BLE con el módulo RN4020 de baja energía Bluetooth versión 4.1 totalmente certificado para diseñadores que quieren agregar fácilmente capacidad inalámbrica y de bajo consumo para los productos. El módulo de montaje en superficie y de factor de forma pequeño tiene una pila Bluetooth completa integrada y se controla mediante comandos ASCII simples en la interfaz UART. RN4020 (Figura 2) incluye todos los perfiles Bluetooth SIG así como MLDP (perfil de datos de baja energía de Microchip) para datos de clientes. Microchip también cuenta con otros productos que admiten las versiones más resientes de las especificaciones BLE, como el módulo BM71 Bluetooth (4.2) de baja energía que está diseñado para una fácil implementación en un rango integrado de aplicaciones. Al admitir el último estándar Bluetooth, ofrece una mejora con rendimiento de hasta 2.5x y conexiones más seguras en comparación con productos polarizados Bluetooth 4.1.

Figura 2: Módulo Bluetooth de baja energía RN4020 de Microchip

Para redes de área amplia de bajo consumo (WAN), la pila de protocolo LoRaWAN™ está disponible en el módulo LoRa® de Microchip. El protocolo LoRaWAN se conecta fácilmente a compuertas de enlace LoRa y servidores de red, ofreciendo una interoperabilidad impecable entre los dispositivos Smart.

Además de la conexión de bajo consumo a Internet, muchas aplicaciones también tienen requisitos de almacenamiento y transferencia de seguridad de datos.  

Cifrado de hardware integrado para la protección de datos

El almacenamiento de datos seguro es importante para muchas aplicaciones, entre ellas aplicaciones que se centran en el registro de datos, las aplicaciones que necesitan realizar cargas desde varios archivos de configuración. Ya sea que esos datos se almacenaron cerca del MCU en una placa con algunos tipos de memoria externa (como EEPROM) o se envían a través de USB u otro dispositivo conectado de forma inalámbrica, el cifrado es clave para proteger la integridad de los datos y la comunicación.

La familia de microcontroladores PIC24FJ128GB204 de Microchip incluye un motor de cifrado de hardware totalmente integrado y con funciones, entre ellas compatibilidad para AES, DES y DES triple. Un generador de números aleatorios se incluye y se usa para crear claves para el cifrado/descifrado de datos y la autenticación y ofrece un mayor nivel de seguridad por lo que es difícil reproducir las claves. Un almacenamiento de clave programable de una vez (OTP) protege la clave de cifrado para que el software no la lea ni la sobreescriba.

Al implementar estas características en el hardware (en vez del software), se reduce la sobrecarga del software y el ancho de banda de procesamiento. AES de hardware integrado es ~10 veces más rápido en comparación con el AES del software. Esta ventaja de velocidad permite operar el MCU a una menor frecuencia que ahorra el consumo de energía. La protección activada mediante hardware es ideal para aplicaciones con ciclos de trabajo cortos o aplicaciones de seguridad integrada de bajo consumo como cámaras de seguridad, bloqueos y paneles de puertas, lectores de tarjetas inteligentes, terminales POS y máquinas de votación.

El motor de cifrado de hardware integrado que se encuentra en la familia de productos PIC24FJ128GB204 se considera un periférico independiente del núcleo (CIP). Una vez que inicia en un sistema, los CIP pueden ofrecer un control integrado de bucle cerrado y estado estable con intervención cero del núcleo del MCU. Como resultado, se simplifica la implementación de sistemas de control complejos y dar a los diseñadores la flexibilidad para innovar.

Un ejemplo de cómo se implementó esta seguridad integrada se puede encontrar en el dispositivo PIC24 XLP con datos de sensor seguros.

Sensores en IoT

Hay muchos tipos diferentes de sensores que se pueden usar en una aplicación IoT según la naturaleza del evento que se debe detectar. Las categorías de sensores incluyen medio ambiente, movimiento, luz, física, química y electricidad, pero se puede extender mucho más allás para incluir muchos otros dominios como navegación, óptica, presión, fuerza y proximidad solo por nombrar algunos. El objetivo final es crear una interacción entre un usuario final o una máquina y el sistema integrado que capta datos o controla los actuadores. La elección obvia para la interfaz de usuario con aplicaciones Bluetooth es una tecnología móvil.

Microchip ha desarrollado un demo IoT Bluetooth LE PIC24 XLP (figura 3) que muestra esta capacidad de sensor básica. El demo se construye utilizando herramientas de desarrollo estándares de Microchip incluyendo la placa Explorer 16, el módulo de conexión de procesador PIC24FJ128GB204 (PIM) y la tarjeta dependiente Bluetooth LE PICtail Plus. Estas herramientas disponibles se pueden usar para replicar fácilmente este demo. El demo es compatible con el firmware del MCU y una aplicación que se ejecutará en un teléfono o tableta Android. La primera aplicación enciende o apaga los ledes usando botones táctiles en la tableta, por lo que se demuestra comando y control básico bidireccional. La aplicación también puede mostrar el estado de los interruptores en la placa al colocarlo en posición on u off. El demo también incluye la seguridad de datos usando el motor de cifrado integrado en el MCU PIC24FJ128GB204 con AES de 128 bits y un sensor térmico de salida analógica TC1074A de Microchip conectado a uno de los canales A/D del microcontrolador.

Figura 3: Demo IoT Bluetooth LE PIC24F de Microchip

Al colocar los datos del sensor IoT seguros en la nube, se obtienen muchos beneficios. A continuación podrá obtener más información.

Conexión a la nube

Para un dispositivo IoT, hay muchos beneficios de conectar la nube. Los ejemplos incluyen comando y control, diagnóstico remoto y reprogramación de campo, perfil y estado y notificaciones automáticas, solo por nombrar algunas. Hay muchas trayectorias posibles desde el producto de IoT a la nube. Algunas configuraciones comunes incluyen 1) Wi-Fi^® a través de un enrutador, 2) Bluetooth a través de la conexión de celda, 3) Ethernet a través de un enrutador, 4) LoRa a través de una compuerta y 5) MiWi a través de una compuerta de enlace y enrutador. Con una variedad de soluciones inalámbricas, sensores y microcontroladores eXtreme Low-Power, los productos de Microchip permite soluciones de IoT de extremo a extremo, incluyendo el producto final y la conectividad obligatoria para ayudarlo a lograr una conexión exitosa del sistema integrado a la nube.  

Conclusión

El consumo de energía y la seguridad son dos de las principales preocupaciones para diseñadores de sistema integrado, no solo para el microcontrolador sino en el resto del diseño IoT también. Para aplicaciones de bajo consumo o alimentadas solamente a batería, Microchip tiene un conjunto de productos ideales para aplicaciones que incluyen microcontroladores eXtreme Low-Power (XLP) que ofrecen corrientes muy bajas, abordan la seguridad con un motor de cifrado de hardware integrado y varios caminos de comunicación para conectar a la nube.