Las balizas inteligentes aprovechan el sistema en un chip Bluetooth para obtener información ML conectada

Actualmente, los ciclos de desarrollo y asistencia de los productos se mueven con rapidez. Los productos integrados que detectan fallos de software y hardware y proporcionan información sobre el comportamiento de los usuarios suministran los datos que los ingenieros necesitan para que los equipos sigan funcionando y mejorando.

Sin embargo, no todos los equipos industriales están cableados para facilitar la conectividad de estos productos integrados. Incluso los productos diseñados para el Internet de las Cosas (IoT) pueden encontrarse con problemas de conectividad, como interferencias electromagnéticas (EMI), ancho de banda limitado y largas tiradas de cable.

La aparición de la tecnología Bluetooth System-on-a-Chip (SoC) ofrece a los ingenieros acceso a una conectividad sin fisuras junto con la potencia de un microprocesador compatible con el aprendizaje automático (ML) integrado. Esta combinación de conectividad y análisis inteligente es una valiosa herramienta en un ciclo de diseño y asistencia proactivo, en lugar de reactivo.

La recolección inteligente de datos transforma el desarrollo de productos y la asistencia técnica

El éxito del desarrollo y la asistencia de un producto requiere datos de uso. Los diseñadores que no sepan cómo utilizan los clientes un producto, incluidas las funciones en las que confían y las que son engorrosas o presentan errores, tendrán problemas para iterar el producto hasta una actualización que los usuarios deseen. Del mismo modo, el personal de asistencia no puede solucionar adecuadamente los problemas sin conocer el comportamiento del usuario, el estado del sistema, las condiciones ambientales y otros datos clave justo antes o durante el problema.

Un producto con conectividad y análisis modernos integrado puede hacer que tanto la iteración del diseño como la asistencia sean más eficaces. Los productos integrados y las balizas inteligentes pueden detectar condiciones ambientales como la temperatura, la humedad y la presión barométrica, así como la aceleración en varios ejes, la luz ambiental y los campos magnéticos. Las marcas de tiempo de un reloj en tiempo real (RTC) permiten correlacionar los datos con otros eventos del sistema, ya sea mediante análisis a bordo o cuando se transmiten a un servidor en la nube a través de Bluetooth.

Por ejemplo, una baliza inteligente conectada a un sistema de movimiento lineal en un entorno industrial podría detectar que las vibraciones aumentan cuando la humedad es elevada. Los procesadores integrados podrían alertar a los técnicos de mantenimiento de la necesidad de lubricación adicional. Este tipo de solución proactiva de problemas reduce el tiempo de inactividad de los equipos y los costos de mantenimiento.

Los diseñadores de productos también podrían utilizar los datos de vibraciones y ambientales registrados para mejorar futuras versiones del sistema de movimiento lineal. Por ejemplo, podrían recomendar un lubricante diferente que dure más en condiciones de humedad. También podrían rediseñar el sistema de lubricación para protegerlo mejor de la intemperie.

Dificultades de aplicación y soluciones

Para aprovechar las ventajas de la recopilación de datos mejorada en un entorno IoT, los ingenieros deben optimizar la recopilación y el análisis de datos. Cualquier transferencia de información a la nube para su análisis tiene una latencia inherente y reduce la seguridad de los datos. Los sistemas integrados y las balizas inteligentes combaten esta situación integrando capacidades de IA y ML en las propias unidades. Estos sistemas edge AI y TinyML contienen modelos de software a escala que permiten a los procesadores hacer inferencias inteligentes basadas en los datos del mundo real que reciben.

Las capacidades de ML integradas pueden ser tan sencillas como cotejar datos de vibraciones, datos medioambientales y una marca de tiempo global, o lo suficientemente complejas como para predecir las necesidades de mantenimiento en función de las tendencias de los datos. Ya sea complejo o sencillo, el módulo ML recibe y procesa datos en tiempo real sin utilizar recursos de red, lo que permite obtener información oportuna y reducir al mínimo el consumo de energía.

Aun así, las balizas inteligentes y los sistemas integrados necesitan comunicar su estado a otros dispositivos o a un servidor a través de una red. Muchos sistemas heredados están diseñados para conectarse en serie por cable con protocolos como PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen y Modbus RTU. Los equipos más modernos utilizan protocolos basados en Ethernet de baja latencia, como PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP o Ethernet POWERLINK. Sin embargo, tanto la comunicación en serie como la Ethernet requieren cables para los datos y la alimentación a través de las fábricas, con los consiguientes problemas de interferencias electromagnéticas, degradación de la señal en largos tendidos de cables y la inversión en instalaciones necesaria para mitigar los riesgos de tropiezos y proporcionar vías para vehículos conducidos o autónomos.

La comunicación por radiofrecuencia (RF) de corto alcance mediante protocolos Bluetooth supera muchos de estos desafíos. Algunas versiones de Bluetooth, como Bluetooth de baja energía (BLE), están diseñadas para emitir señales potentes hasta 150 m con la energía disponible de una pila de botón, lo que elimina la necesidad de cables de alimentación y datos.

La señal BLE funciona en la banda de 2.4 GHz, que también admite algunas redes celulares y Wi-Fi. Aunque la banda compartida puede provocar interferencias en la red y reducir la integridad de la señal, también es la más fiable para superar obstáculos en la línea de visión, como paredes y equipos. Para superar los problemas de línea de visión e interferencias, muchos sistemas BLE pueden conectarse en red para utilizar el Protocolo de Internet versión 6 (IPv6) y conectar los dispositivos BLE entre sí y con la nube (Figura 1). Los puntos de acceso Bluetooth estratégicamente situados también pueden potenciar la fuerza y la integridad de la señal dentro de la red mallada.

Figura 1: Las balizas inteligentes y otros dispositivos pueden utilizar Bluetooth para conectarse al punto de acceso más cercano sin necesidad de emparejarse. Los puntos de acceso pueden activar redes de malla Bluetooth o conectarse a servicios en la nube por Wi-Fi. (Fuente de la imagen: Blecon LTD)

Las balizas inteligentes aúnan análisis y redes

Al combinar la recopilación de datos, los motores de inferencia de IA y ML y la conectividad de red, las balizas inteligentes con Bluetooth proporcionan información sobre el funcionamiento de los productos, el comportamiento de los usuarios y el mantenimiento predictivo, incluso en equipos que no están diseñados para sistemas integrados. Un ejemplo es el L02S-BCN de Blecon LTD (Figura 2).

Figura 2: Las balizas inteligentes L02S-BCN tienen conectividad BLE, múltiples opciones de detección, LED de alta visibilidad y una batería reemplazable sobre el terreno en una carcasa IP67. (Fuente de la imagen: Blecon LTD)

Las balizas inteligentes L02S-BCN están controladas por SoC multiprotocolo de la serie nRF54L15 (Figura 3) de Nordic Semiconductor. Estos chips combinan una radio multiprotocolo de 2.4 GHz compatible con Bluetooth versión 5.4, IEEE 802.15.3-2020 y protocolos de 2.4 GHz a velocidades de transmisión de datos de hasta 4 Mbps con un procesador Arm® Cortex®-M33 de 128 MHz que funciona con 265 KB de RAM. La memoria no volátil de 1.5 MB puede almacenar las lecturas y análisis de los sensores si no se dispone de conectividad a la red.

Figura 3: Los SoC multiprotocolo de la serie nRF54L15 cuentan con radios multifunción, seguridad PSA de nivel 3, un procesador de 128 MHz con 256 KB de RAM y periféricos de hardware y software compatibles con IA y ML de última generación. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El chip nRF54L15 cuenta con seguridad integrada diseñada para sistemas IoT. El aislamiento TrustZone, la protección contra canales laterales y los protocolos de detección de manipulaciones lo certifican como arquitectura de seguridad de plataforma (PSA) de nivel 3. Estos sistemas garantizan que las cargas útiles de datos transmitidas desde las balizas L02S-BCN están cifradas para un transporte seguro y que las identidades de los nodos de la red se verifican desde la nube mediante una comunicación bidireccional.

Los chips nRF54L15 también incorporan periféricos que permiten a las balizas inteligentes L02S-BCN recopilar, analizar y compartir datos de sistemas IoT. Un convertidor analógico-digital (ADC) de 14 bits traduce las señales de temperatura, humedad, presión barométrica, aceleración y sensores fotosensibles en datos digitales, mientras que un RTC global crea una marca de tiempo para cada lectura. Cinco interfaces en serie, incluidas interfaces periféricas en serie (SPI), interfaces de dos hilos (TWI) y receptores/transmisores asíncronos universales (UART), conectan los componentes de procesamiento y detección.

Además de estas opciones de sensores físicos, las balizas L02S-BCN también actúan como dispositivos integrados, utilizando el software Memfault preintegrado en coprocesadores de estándar abierto Reduced Instruction Set Computing versión cinco (RISC-V) para detectar e informar a la nube de caídas, fallos de software, estado de la batería y comportamiento del usuario. Memfault también gestiona las actualizaciones por aire (OTA), por lo que no es necesario recuperar los dispositivos desplegados.

Las balizas L02S-BCN también demuestran el uso de Edge Impulse, una plataforma de inteligencia artificial periférica, para ofrecer ML sin utilizar recursos de red. Edge AI (IA en el borde) elimina la latencia y permite que las balizas L02S-BCN funcionen con pilas de botón CR2477 de 1000 mAh que pueden sustituirse sobre el terreno. Las balizas L02S-BCN, de 69.9 mm de alto por 46.7 mm de ancho y 18 mm de grosor, tienen carcasas con clasificación IP67 que excluyen el polvo y soportan la inmersión en 1 m de agua durante un máximo de 30 minutos. Las balizas pueden montarse en los equipos mediante adhesivo de doble cara, tornillos o bridas.

Conclusión

Las balizas inteligentes Bluetooth aportan detección, conectividad, IA y ML a las aplicaciones industriales y de IoT. Gracias a SoC como el nRF54L15 de Nordic Semiconductor, que admite la recopilación de datos, el análisis de latencia cero y las actualizaciones OTA, las balizas inteligentes como la L02S-BCN de Blecon superan las barreras de la conectividad para convertir los equipos desplegados en la industria en productos integrados con capacidades de ML.