Monitoreo remoto con sensores inalámbricos empleando Wi-Fi

Las fábricas modernas tienen sistemas digitales cada vez más complejos, con interconexiones entre dispositivos y software de muchos proveedores diferentes. Esta complejidad ha llevado a un alejamiento de las interfaces propietarias, reemplazándolas por estándares comunes como Ethernet y Wi-Fi®. La normalización de las comunicaciones digitales puede considerarse parte de la cuarta revolución industrial (Industria 4.0), en la que las tecnologías de la Internet de las Cosas (IoT) simplifican enormemente la conexión de diferentes dispositivos (Figura 1). Este artículo revisa las formas más comunes de redes de sensores basadas en Wi-Fi y sus aplicaciones típicas.

Figura 1: La detección con Wi-Fi es cada vez más común en los entornos industriales.

Historial y versiones de Wi-Fi

El Wi-Fi es un protocolo de red inalámbrica basado en el IEEE 802.11, pero se ha estandarizado aún más para garantizar la interoperabilidad de los dispositivos. El estándar Wi-Fi es mantenido por la Wi-Fi® Alliance y solo los productos que han sido certificados para cumplir con este estándar pueden llevar la marca registrada.

El estándar 802.11 está bien establecido para aplicaciones de redes de área local inalámbricas (LAN). Fue publicado por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en 1997, como 802.11-1997. Las principales publicaciones posteriores han incluido, en orden cronológico, 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n y 802.11ac. Aunque el IEEE 802.11 proporciona la base técnica para el Wi-Fi, el IEEE no tenía ninguna certificación o prueba, lo que provocó problemas de interoperabilidad en los primeros dispositivos.

En 1999, la Wi-Fi Alliance fue formada por algunas de las primeras empresas que adoptaron el IEEE 802.11. El objetivo de esta alianza era mejorar la interoperabilidad entre los dispositivos que las empresas miembros estaban produciendo. Las empresas fundadoras fueron 3Com y Nokia. Las generaciones de Wi-Fi corresponden a los principales lanzamientos del estándar IEEE 802.11, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Estándares Wi-Fi a través de los años.

Rango, velocidad y frecuencia

El Wi-Fi puede funcionar a diferentes frecuencias y los dispositivos pueden ser configurados para usar diferentes frecuencias. Las frecuencias más comunes son 2.4 GHz y 5 GHz.

En general, las frecuencias más altas proporcionan mayores velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, las frecuencias más altas también se disipan más fácilmente, especialmente al pasar a través de objetos sólidos. Por lo tanto, las frecuencias más bajas suelen proporcionar un mayor alcance.

Cuando funciona en el mismo rango de frecuencia que otros dispositivos, el Wi-Fi también es más susceptible a las interferencias. Por ejemplo, a 2.4 GHz, pueden producirse interferencias Wi-Fi en hornos microondas, teléfonos inalámbricos y dispositivos Bluetooth. Esto puede significar que, en ciertos entornos, 5 GHz pueden dar un mejor alcance que 2.4 GHz. Si se encuentran problemas en una frecuencia particular, a menudo puede ser más fácil simplemente probar un canal diferente o incluso una banda.

Los rangos de frecuencia son bandas dentro de las cuales se definen canales específicos. Por ejemplo, 2.4 GHz se divide en 14 canales. El canal 1 es de 2401 a 2423 MHz, el canal 2 es de 2406 a 2428 MHz, etc. Hay muchos más canales disponibles en la banda de 5 GHz.

El IEEE 802.11ah, conocido como Wi-Fi HaLow o rango extendido, opera en la banda de frecuencias más baja alrededor de 900 MHz, combinado con estrechos canales de RF de 1 MHz. Estos canales estrechos y de baja frecuencia, combinados con los cambios de protocolo, significan un consumo de energía mucho menor, incluso más bajo que el de Bluetooth Low Energy. El alcance debe ser aproximadamente el doble que el de 2.4 GHz: más de 40 metros a 150 kbps para una sola corriente o más de 80 metros usando un chip de doble corriente más complejo. Aunque el IEEE ya ha publicado el estándar 802.11ah, la Wi-Fi Alliance aún no ha comenzado a certificar los dispositivos.

En el otro extremo del espectro, el IEEE 802.11ad, o WiGig, funciona en una banda de frecuencias más alta, alrededor de 60 GHz, para permitir altas velocidades de transferencia de datos, típicamente alrededor de 7 Gbit/seg.

Topología de la red Wi-Fi

La topología de una red es la estructura básica de las conexiones entre dispositivos (Figura 2). Por ejemplo, en una topología de estrella, un dispositivo es un concentrador y todos los demás dispositivos se conectan al concentrador. En una topología completamente conectada, cada dispositivo se conecta a todos los demás dispositivos. Una topología malla es similar a una totalmente conectada en el sentido de que las conexiones están descentralizadas, pero puede que no haya conexiones entre cada par de dispositivos, también se puede denominar malla parcialmente conectada. En una topología de bus cada dispositivo se conecta a un cable, conocido como el bus.

Figura 2: Las topologías de red abundan, pero la mayoría de las redes Wi-Fi son en estrella o en malla. (Fuente de la imagen: Design World)

Las redes Wi-Fi son típicamente de estrella o de malla. Las topologías de malla son resistentes y seguras, reducen el consumo de energía y mejoran el alcance ya que los enlaces individuales pueden ser más cortos. Para las grandes redes de IoT con muchos sensores de baja potencia, estas son ventajas importantes. Sin embargo, las redes estelares también pueden ofrecer ventajas en este sentido. En una red de arranque, es posible que los dispositivos individuales transmitan de forma intermitente y solo el concentrador requiere una alimentación continua para la señal Wi-Fi.

Implementaciones especializadas de Wi-Fi para la industria

Como ya se ha mencionado, Wi-Fi HaLow utiliza una frecuencia más baja para lograr un mayor alcance y un menor consumo de energía. Esto puede ser útil para los dispositivos pequeños que funcionan con pilas. Para las aplicaciones de control y automatización industrial, en las que se requiere una comunicación en tiempo real, el Wi-Fi ha luchado por proporcionar una conexión suficientemente rápida, de baja latencia y estable. Aunque ha habido interés en el Wi-Fi en tiempo real durante al menos una década, esta tecnología no ha sido ampliamente adoptada. Quizás la implementación más exitosa de Wi-Fi en tiempo real es WIA-PA, un estándar de comunicación industrial inalámbrica china para la automatización de procesos.

El uso industrial de Wi-Fi es más típico en aplicaciones menos exigentes como los sensores de movimiento y los escáneres de códigos de barras. El monitoreo de la condición de la maquinaria se está volviendo muy común. En el caso de las máquinas rotativas, se utilizan acelerómetros para controlar las vibraciones. La vigilancia del medio ambiente es también un aspecto importante de la vigilancia de las condiciones, con pequeños sensores de temperatura, presión, humedad y concentración de gases que se suelen desplegar.

Los sensores de monitorización de condiciones se despliegan en muchos entornos diferentes. Entre ellas se encuentran la evidente maquinaria de fábrica y de almacén, así como vehículos comerciales de alto valor, como camiones, equipos de movimiento de tierra y aviones. La vigilancia de la condición también está muy bien establecida y es crítica dentro de las operaciones de generación de energía, minería y perforación.

La vigilancia del tráfico, los niveles de contaminación y el clima son algunos ejemplos más de aplicaciones en las que se despliegan sensores inalámbricos.

Tecnologías en competencia

El Wi-Fi no es el único estándar que permite la comunicación inalámbrica entre dispositivos industriales. Para las aplicaciones de corto alcance y bajo consumo, el Wi-Fi compite con el Bluetooth y el Zigbee. Para aplicaciones de largo alcance. Las principales tecnologías que compiten con el Wi-Fi son las tecnologías celulares: 3G, 4G y 5G.

Considere sólo un ejemplo de una unidad de microcontrolador de baja potencia (MCU) para ayudar a los ingenieros a configurar las comunicaciones a través de Bluetooth de baja energía (BLE), así como Wi-Fi a través de un módulo Wi-Fi de XBee:

El Bluetooth es una forma de comunicación de baja potencia bien establecida. Zigbee es una nueva tecnología basada en el IEEE 802.15.4, que pretende utilizar un hardware de menor costo y energía que incluso el Bluetooth. Aunque el Wi-Fi HaLow está pensado para competir en esta área, no alcanza el costo y la potencia ultra-baja de Zigbee. Complicando las cosas aún más, 5G tiene su propia tecnología de baja potencia - Low-Power Wide-Area (LPWA).

Complementando muchas de estas ofertas de baja potencia están las capacidades de recolección de energía:

Conclusión:

Muchos fabricantes de dispositivos industriales siguen utilizando tecnologías inalámbricas industriales patentadas. Aunque esto dificulta la interoperabilidad, significa que pueden proporcionar una mayor seguridad y comunicaciones en tiempo real. A medida que el Wi-Fi continúa mejorando en estas áreas, los ingenieros pueden esperar ver más dispositivos que adopten este estándar abierto. Por otro lado, 5G está mostrando un gran potencial para las aplicaciones inalámbricas de IIoT. Los próximos años traerán más competencia entre los últimos estándares de Wi-Fi 6 y 5G.