Implementar rápidamente un punto final de celulares industriales remotos de IO usando un microcontrolador y un router LTE

A medida que las aplicaciones de la Internet de las Cosas (IoT) se expanden, también debe hacerlo el alcance de las redes asociadas. Mientras que Wi-Fi, Bluetooth y Zigbee pueden estar disponibles para una conveniente red inalámbrica cerca o dentro de una instalación industrial, algunas redes industriales de IO (IIoT) requieren el monitoreo y control remoto de sistemas en el campo que pueden estar a muchos kilómetros de distancia o ampliamente dispersos, a menudo en lugares que son difíciles y que consumen mucho tiempo para que los técnicos de mantenimiento lleguen. Para estas situaciones, la red celular es la mejor solución inalámbrica.

En este artículo se explica la necesidad de la vigilancia y el control de datos a distancia sobre los celulares en algunas aplicaciones del IIoT situadas a muchos kilómetros de distancia y se describen las ventajas de un nodo remoto del IIoT que debe conservar la energía con un mantenimiento mínimo o nulo. Luego introduce un microcontrolador celular de Nordic Semiconductor que puede transmitir datos a través de una red LTE a un enrutador celular montado en rieles DIN de Phoenix Contact.

Ampliación de la red del IIoT

Las redes convencionales de IIoT se establecen en un solo lugar, como una instalación de fabricación, un almacén automatizado o un parque al aire libre. La conexión en red con el centro puede ser con cable como en el caso de Ethernet industrial, o inalámbrica como en el caso de Wi-Fi o Zigbee. Esto se gestiona fácilmente desde un lugar central donde hay un acceso fácil a la ubicación de los puntos finales de la red del IIoT, lo que permite un mantenimiento o reemplazo eficiente.

A medida que el IIoT se ha expandido, también lo han hecho los casos de uso. Para aumentar la eficiencia y el control inmediato de las redes, los administradores de las instalaciones deben vigilar y controlar activamente los sistemas remotos con una latencia mínima entre el sistema remoto y el centro de la sede. Los sistemas de transporte como los trenes, los subterráneos y los camiones interestatales pueden beneficiarse de la vigilancia de varios sensores en el motor o el motor eléctrico junto con el consumo de combustible y energía, la velocidad y la distancia, así como de la localización por GPS para rastrear la ubicación y estimar el tiempo de llegada al destino. Estos datos se envían a la instalación principal o a la sede corporativa y se analizan. Los datos pueden utilizarse casi inmediatamente para ahorrar tiempo y dinero mejorando la eficiencia y previniendo los fallos, reduciendo así los costos y aumentando la fiabilidad.

Los oleoductos y gasoductos se benefician de la red del IIoT al monitorear el volumen y la presión en el oleoducto, junto con las condiciones ambientales como la temperatura, las lecturas de los barómetros y la humedad. La monitorización de localización GPS de precisión junto con los sensores de vibración y giroscopio pueden detectar el movimiento en el oleoducto debido a fuerzas externas como los eventos sísmicos. En algunos casos, el flujo a través del oleoducto puede ser restringido de forma remota o detenido en respuesta a una situación de emergencia detectada como un terremoto. El equipo puede hacer autodiagnósticos y los resultados se envían a la fábrica para su análisis. Como estos oleoductos pueden estar situados a muchos miles de kilómetros de la sede en entornos difíciles como el Círculo polar ártico, es importante que el punto final cuente con una red de comunicaciones que sea completamente fiable.

Entrar en la IoT celular

Para satisfacer estas necesidades, la red del IIoT se ha ampliado para enviar datos a través de las redes celulares existentes de evolución a largo plazo (LTE). Esto permite colocar un punto final de IIoT en casi cualquier lugar del mundo en el que se disponga de conectividad LTE, siempre que se pueda aplicar y mantener una fuente de energía, con la ventaja añadida de que el costo y el esfuerzo de mantenimiento de la red celular es responsabilidad de los portadores de la misma. Debido a que estos sistemas pueden estar ubicados en lugares remotos, no monitoreados y de difícil acceso, el punto final del IIoT celular remoto debe ser confiable y resistente a la piratería o a la manipulación física.

El primer paso hacia un sistema integrado fiable para el IIoT es mantener el sistema simple mientras se minimiza la energía. Mantener el sistema simple reduce el número de puntos de falla. La reducción del consumo de energía mejora la fiabilidad al reducir el calor, lo que prolonga la vida útil de la mayoría de los dispositivos semiconductores, así como mejora la duración de las baterías de los puntos finales de la IIoT alimentados por baterías.

Para cumplir con estos requisitos, Nordic Semiconductor ha introducido el microcontrolador celular IoT LTE nRF9160. El nRF9160 simplifica el desarrollo del punto final de la IOT celular incorporando un completo módem LTE en chip que cumple con los últimos estándares de datos de IOT celular y de máquina a máquina (M2M) (Figura 1).

<Figura 1: El microcontrolador celular Nordic Semiconductor nRF9160 LTE está basado en el núcleo Arm® Cortex®-M33. Tiene todos los periféricos necesarios para construir un punto final de IO celular, incluyendo un módem LTE y un módulo GPS. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El nRF9160 de Nordic Semiconductor se basa en un núcleo de procesador Cortex-M33 de 64 megahercios (MHz) de brazo, que apunta específicamente a aplicaciones de IO de baja potencia. El Cortex-M33 soporta operaciones de ciclo único de multiplicación y acumulación (MAC) y tiene instrucciones de unidad de punto flotante (FPU) de precisión única, una división de hardware y operaciones de datos múltiples de instrucción única (SIMD). Esto es útil para procesar rápidamente los datos de los sensores como en los cálculos de fusión de los sensores. El Cortex-M33 es altamente determinista incluso cuando entra y sale de los modos de baja potencia, con soporte para el funcionamiento en tiempo real.

El microcontrolador nRF9160 tiene 1 megabyte (Mbyte) de flash en el chip para el firmware de la aplicación y 256 kilobytes (Kbytes) de RAM de baja pérdida. Tiene un subsistema Arm TrustZone para operaciones criptográficas que incluye encriptación AES, un generador de números aleatorios verdaderos (TRNG) y administración segura de contraseñas. Esto es útil para verificar las comunicaciones de datos encriptados así como la detección de manipulación de firmware. Las interfaces seriales estándar en el chip incluyen puertos SPI, I²C y UART para la interfaz con sensores y actuadores externos. Un convertidor analógico a digital (ADC) de ocho canales, nativo de 12 bits (14 bits con sobremuestreo) es útil para la lectura de los sensores analógicos.

El nRF9160 también tiene un receptor GPS en el chip optimizado para puntos finales de IO de baja potencia. Esto es especialmente útil para los puntos finales móviles como camiones y trenes. También es útil para los sistemas que pueden cambiar de posición involuntariamente debido a la actividad sísmica, o para detectar el movimiento intencional si el punto final está montado en un dispositivo móvil como un equipo robótico. El receptor GPS comparte el transceptor de RF en el chip con el módem LTE. Si tanto el módem LTE como el receptor GPS están activos, el transceptor de RF compartido se multiplica en el tiempo con el módulo GPS y el módem LTE, dándole prioridad al módem LTE.

El módem LTE nRF9160 consta de un procesador de control anfitrión con memoria flash y RAM dedicada, un procesador de banda base, un transceptor de RF con una clavija de antena externa de 50 ohm (Ω) y una interfaz de tarjeta SIM. Para aumentar la fiabilidad de las comunicaciones, el módem LTE tiene su propio diagnóstico y detección de fallos. El módem LTE soporta protocolos de comunicación de datos M2M e IoT de baja potencia, incluyendo Cat-M1, Cat-NB1 y Cat-NB2.

Para intercambiar datos a través de una red LTE, el módem LTE requiere una tarjeta SIM estándar que contiene la red inalámbrica, el número de teléfono y la información del abonado. El procesador host LTE nRF9160 tiene una interfaz de tarjeta de circuito integrado universal (UICC) externa, también llamada interfaz de tarjeta SIM, para conectarse a cualquier tarjeta SIM activada que sea compatible con los estándares de transmisión de datos LTE-M o Narrowband IoT (NB-IoT).

Cada punto final de nRF9160 LTE requerirá la compra de una tarjeta SIM con un plan de datos apropiado de un operador de telefonía móvil. Una tarjeta SIM y un plan de datos celulares para dispositivos de IO en red pueden ser convenientemente comprados en DigiKey. Se dispone de planes con capacidades de datos de 300 Kbytes hasta 5 gigabytes (Gbytes) por mes.

El nRF9160 puede funcionar con 3.0 a 5.5 voltios, lo que lo hace adecuado para su uso con puntos finales de IIoT alimentados por batería con una pila de litio de 3.7 voltios. Se recomienda el funcionamiento a 3.7 voltios, ya que la mayoría de las especificaciones del dispositivo son a un voltaje de suministro de 3.7 voltios. La mayoría de los dominios de potencia para los periféricos y los módulos de procesador del nRF9160 son configurables y la potencia puede ser encendida y apagada bajo el control del firmware. Esto permite a los desarrolladores afinar el sorteo actual para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación.

El nRF9160 tiene un modo de ahorro de energía (PSM) que pone el núcleo en reposo (se conservan los estados de registro del núcleo), el módem LTE apagado y la mayoría de los periféricos apagados. Para un punto final del IIoT que debe llevar la cuenta del tiempo, con la RTC en el PSM, el nRF9160 consume sólo 2.35 microamperios (µA), un consumo de corriente impresionantemente bajo para un dispositivo alimentado por baterías.

El módulo GPS consume una considerable cantidad de 47 miliamperios (mA) cuando realiza un seguimiento continuo. Sin embargo, es más práctico utilizar el GPS en el PSM, ya que sólo consume 12 mA adicionales. Esto sería apropiado para los trenes o camiones que requieren una vigilancia continua de la ubicación en tiempo real. Un modo aún más económico es configurar el GPS para que tome un punto de disparo único una vez cada dos minutos, lo que requiere solo 1.3 mA. Esto es apropiado para los nodos fijos que solo necesitan detectar movimientos ocasionales.

Cuando se comunica utilizando cualquier protocolo LTE-M el nRF9160 puede transmitir datos tan rápido como 375 kilobits por segundo (kbps). El protocolo NB-IoT de menor velocidad de datos es tan rápido como 60 kbps. Estas bajas velocidades de datos conservan la energía mientras mantienen comunicaciones fiables entre el punto final y el centro. El módem LTE también es compatible con la seguridad de la capa de transporte (TLS), lo que permite comunicaciones seguras y cifradas para ayudar a prevenir los ataques de los intermediarios o la interceptación no autorizada de los datos transmitidos.

El nRF9160 opera en temperaturas de -40 a +85 °C, lo que lo hace apropiado para ambientes extremadamente fríos y la mayoría de los ambientes muy calientes.

La radio LTE proporciona hasta 23 decibelios de referencia a 1 miliwatio (mW) (dBm) de potencia de salida a la antena. Es compatible con IPv4 y el último IPv6, lo que lo hace fácilmente ampliable a nuevas direcciones IP sin las limitaciones de IPv4. El módem LTE también soporta mensajes de texto SMS. Esto permite al punto final del IIoT enviar y recibir datos de texto de forma similar a un teléfono móvil, excepto que en lugar de decir "hola" se puede utilizar la mensajería para recibir datos de los sensores y enviar comandos operativos.

Desarrollo del punto final de LTE

Para apoyar el desarrollo del nRF9160, Nordic Semiconductor suministra la placa de desarrollo celular nRF6943 Nordic Thingy:91 (Figura 2). El tablero viene empaquetado convenientemente como un kit en una caja de color naranja brillante que casi se puede desplegar tal cual para una rápida implementación.

Figura 2: El semiconductor nRF6943 Thingy:91 es un kit de desarrollo celular completo con una plétora de sensores y pines para conectar a dispositivos externos. Tiene un enchufe para una tarjeta SIM de abonado. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El kit de desarrollo nRF6943 viene con una batería recargable de polímero de litio de 1400 miliamperios-hora (mAh) que se carga a través del puerto USB disponible. El puerto USB también se utiliza para conectar el nRF6943 a un PC para el desarrollo de firmware, programación y depuración.

El kit de desarrollo del nRF6943 Thingy:91 viene con un número de sensores integrados que incluyen un acelerómetro de baja potencia, un acelerómetro de alta G, un sensor de luz y color, y un puerto de medición de corriente. Un sensor ambiental detecta la temperatura, la humedad, la calidad del aire y la presión atmosférica. Se dispone de pines de puerto individuales para conectar a sensores externos adicionales. Además, el nRF9160 maneja cuatro MOSFET de potencia que pueden ser usados para manejar pequeños motores de corriente continua o LED de alta corriente. Un zumbador magnético y tres LED RGB proporcionan una retroalimentación visual y de audio durante el desarrollo. También hay dos pulsadores que son programables por el firmware de la aplicación.

Conectando con el centro de la sede

Un punto final IIoT nRF9160 puede ser colocado en cualquier lugar del mundo que tenga conectividad LTE. El punto final celular del IIoT puede transmitir datos a través de la red celular de un operador inalámbrico con el centro de la sede a un enrutador celular como el enrutador LTE 1010464 4G de Phoenix Contact (Figura 3).

Figura 3: El enrutador celular Phoenix Contact 1010464 es un enrutador industrial 4G LTE con un cortafuegos integrado y soporte de red privada virtual (VPN). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Este enrutador LTE 1010464 4G de Phoenix Contact está diseñado para entornos industriales difíciles y se conecta a la red celular de AT&T U.S.A. En la parte trasera hay una ranura para una tarjeta SIM de abonado. El router está montado en un carril DIN para una integración conveniente en un sistema de carril DIN existente con un mínimo de configuración de hardware. La ubicación del enrutador debe permitirle recibir una señal celular clara. Tanto el firmware del punto final del IIoT como este enrutador celular deben ser configurados con los números de teléfono de cada SIM para que puedan comunicarse de manera segura y eficiente. El enrutador LTE tiene un cortafuegos para mayor seguridad y puede filtrar fácilmente el acceso no autorizado a LTE desde números de teléfono no autorizados, así como paquetes sospechosos procedentes de números autorizados. El soporte de VPN permite comunicaciones de datos más seguras. El router celular LTE tiene un conmutador de cuatro puertos en la parte delantera y se comunica con la red local a través de Ethernet.

Esta combinación de un punto final IIoT de baja potencia y un enrutador celular LTE permite una fácil comunicación entre el centro de la sede y el punto final industrial, con una velocidad de comunicación sólo limitada por el ancho de banda disponible de la red celular.

Conclusión

Como se muestra, las redes del IIoT pueden ampliarse fácilmente para incluir puntos finales en cualquier parte del mundo. El uso de un microcontrolador de baja potencia con un módem celular LTE integrado ahorra tiempo y costos de diseño, y una vez configurado correctamente puede transmitir datos a un enrutador celular en el centro de la sede las 24 horas del día.