Utilice puertas de enlace para sobrellevar los desafíos de conexión de LAN a IoT inalámbrica y de bajo consumo.

Muchas interfaces y protocolos inalámbricos de bajo consumo, como Bluetooth de baja energía, ZigBee, Thread, entre otros, son populares para hogares inteligentes y aplicaciones de red de sensores industriales inteligentes. Sin embargo, como los desarrolladores están descubriendo, estos protocolos de RF se diseñaron antes de que la Internet de las cosas (IoT) se convirtiera en una realidad y, como tales, carecen de interoperabilidad con los protocolos de Internet (IP) IPv4 e IPv6, lo que dificulta conectar diseños a IoT para una detección, automatización y control inteligentes.

Existen formas de evitar este problema de interoperabilidad de IP, como la transformación de paquetes o el uso de una interfaz inalámbrica compatible con IP. La primera opción es ineficiente y la segunda reduce las opciones de los diseñadores a wifi.

Este artículo se centrará en una tercera opción: puertas de enlace de IoT. Estas sirven como agregadores de red y a menudo vienen con seguridad avanzada y múltiples opciones de E/S para backhaul. El artículo describirá su función y características antes de presentar soluciones adecuadas y cómo sacar el máximo provecho de ellas.

Opciones inalámbricas para IoT

A pesar de la falta de interoperabilidad directa de IP, muchas de las interfaces y protocolos inalámbricos populares de baja potencia se caracterizan por un buen alcance y tasa de producción, la coexistencia con otras tecnologías de 2.4 GHz y el soporte de redes en malla. (Consulte el artículo de DigiKey “Comparación de tecnologías inalámbricas de baja potencia”).

La conectividad inalámbrica bidireccional permite a los usuarios supervisar de forma remota y controlar los sistemas y, al mismo tiempo, permite analizar los datos del proceso mediante potentes algoritmos basados en la nube para, por ejemplo, optimizar el rendimiento, ahorrar energía o aumentar la productividad.

Como se mencionó, hay tres formas de superar la falta de interoperabilidad de IP de los protocolos inalámbricos de baja potencia. La primera es seleccionar un protocolo con una capa de adaptación de red que 'transforme' los paquetes de modo que puedan ser transportados a través de una red IPv6. Algunos fabricantes ofrecen Bluetooth de baja energía, ZigBee, Thread y otras 'pilas' de protocolos de RF que incorporan un IPv6 sobre una capa de transporte de red de área personal inalámbrica de baja potencia (6LoWPAN). En general, estas pilas funcionan correctamente pero son más complejas de implementar, además, exigen más recursos de procesador y consumo de energía en cada nodo.

La segunda opción es usar un protocolo inalámbrico con soporte de IP nativo. Wifi es quizás el mejor ejemplo. Estrictamente hablando, el wifi define solo las capas físicas (PHY), de control de acceso a medios (MAC) y de control de enlace lógico (LLC) de la pila. Sin embargo, tal es la ubicuidad del wifi para la conectividad a Internet que los proveedores suelen proporcionar una pila completa de TCP/IP basada en las capas inferiores del wifi. La desventaja es que los nodos wifi son más grandes, más caros y demandan más potencia que las tecnologías inalámbricas de la competencia, por lo que no son aptos para todas las aplicaciones.

Un tercer enfoque es aprovechar una puerta de enlace de IoT. Estos dispositivos son unidades autónomas que incluyen todo el software y hardware necesarios para cerrar la brecha entre LAN e IoT (Figura 1). Las puertas de enlace también son una buena opción para los desarrolladores con experiencia limitada en RF, o aquellos que desean agregar conectividad de Internet a una red inalámbrica heredada de baja potencia.

Figura 1: Los diseñadores pueden elegir entre tres alternativas para conectar redes de sensores inalámbricos a IoT. La primera opción que se muestra aquí describe cómo vincular los nodos inalámbricos a una puerta de enlace de IoT, que actúa como un puente hacia Internet. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La diferencia entre puertas de enlace y enrutadores

Es importante establecer una distinción entre una puerta de enlace y un enrutador. Un enrutador es un dispositivo más simple porque da servicio a los nodos que comparten un protocolo común y es necesario para retransmitir únicamente los datos transportados por el protocolo a Internet y viceversa. Los enrutadores de wifi son un buen ejemplo; los dispositivos enrutan datos entre dispositivos móviles habilitados para IP, como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles e Internet sin interacción.

Por el contrario, una puerta de enlace de IoT agrega datos de diferentes fuentes e interfaces inalámbricas y los conecta a Internet. En algunos casos, una puerta de enlace se usa junto con un enrutador para facilitar la implementación. La ventaja clave de una puerta de enlace es que elimina la necesidad de nodos de red individuales para soportar IP con su complejidad y costo asociados.

Las puertas de enlace pueden ser simples o complejas. Una unidad simple organiza y 'transforma' los paquetes recibidos de los nodos, por lo que son adecuados para el transporte a través de Internet. Además, una puerta de enlace simple transforma los paquetes recibidos de Internet y los distribuye a través de la red a los nodos.

Las puertas de enlace más complejas no solo cumplen esta función, sino que también incorporan características de seguridad avanzadas, así como recursos para manejar el procesamiento de la aplicación de forma total o parcial (al compartir la carga con los nodos). La ventaja de este sistema es que los nodos pueden ser más simples, menos costosos y tienen un menor consumo de energía. En un sistema que comprende muchos nodos, es menos costoso concentrar la potencia de procesamiento en la puerta de enlace que distribuirla en todos los nodos. Las puertas de enlace más complejas también pueden garantizar que la LAN continúe operando cuando se interrumpe el acceso a Internet y que pueda almacenar datos de nodos para su transmisión a la nube cuando se restablezca el acceso a Internet.

Soluciones de puertas de enlace

Diversos fabricantes suministran soluciones de puertas de enlace de IoT comerciales. Los dispositivos generalmente toman la forma de unidades alimentadas por red configurables para aprovechar una variedad de interfaces inalámbricas, que incluyen una selección de protocolos de RF de baja potencia. La conexión hacia el IoT se realiza normalmente a través de una interfaz de red de área amplia (WAN) basada en IP inalámbrica, como wifi (o un tipo de conexión con cables como Ethernet). Algunos diseños más recientes incluyen el acceso a Internet a través de la red celular o tecnologías WAN patentadas como LoRaWAN.

Las tecnologías WAN generalmente emplean pilas pesadas controladas por sistemas operativos (OS) como Linux. Para hacer frente a las demandas computacionales de dicho firmware, las puertas de enlace de IoT comerciales están equipadas con potentes microcontroladores integrados.

Las puertas de enlace más avanzadas admiten múltiples plataformas de red, por ejemplo, HSDK, NAT64, PC-BLE-Serialización y LoRaWAN Gateway Bridge, así como múltiples servicios en la nube como Amazon, Microsoft, Ayla e IBM. Estas unidades avanzadas también ofrecen características tales como administración remota para instalar aplicaciones, actualizaciones de firmware y cambios de configuración, actualizaciones de firmware de dispositivos finales y administración remota de topología y dispositivos de redes en malla.

La puerta de enlace Vesta Series IoT de Rigado es un buen ejemplo de la última generación de puertas de enlace configurables. El producto está impulsado por un procesador de aplicación NXP i.MX6 UltraLite Arm^® Cortex^®-A7 que ejecuta el sistema operativo Yocto Linux. La unidad es compatible con wifi de 2.4 y 5 GHz (IEEE 802.11a/b/g/n), Bluetooth 4.2, Bluetooth de baja energía e IEEE 802.15.4 (incluido Thread). La puerta de enlace también incluye Ethernet con alimentación por Ethernet (PoE) IEEE 802.3af y USB 2.0. Funciona con un suministro de 4,5 a 5,5 voltios, o a través de la conexión PoE. Las opciones de expansión celular y LoRaWAN están en camino, según Rigado.

La puerta de enlace FX30 IoT de Sierra Wireless también cuenta con un procesador de aplicaciones Arm^® Cortex^®-A7 y utiliza el código abierto del sistema operativo de Yocto Linux (Figura 2). La conectividad a Internet se realiza a través de la infraestructura celular (LTE Cat 1) y la unidad puede aceptar las entradas wifi, Bluetooth y ZigBee a través de una ranura de expansión del conector de IoT. La unidad estándar está diseñada para operar con interfaces cableadas, como Ethernet y USB, y funciona con un suministro de 4,75 a 32 V. La unidad es notable por su baja potencia de energía, que requiere menos de 1 W en modo inactivo y 2 milivatios (mW) en modo de suspensión y una construcción robusta. Cumple con MIL-STD-810 para vibraciones y golpes mecánicos, y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -30° a +75 °C, lo que lo convierte en una buena opción para aplicaciones industriales.

Figura 2: La puerta de enlace FX30 IoT de Sierra Wireless se conecta a Internet utilizando tecnología celular. (Fuente de la imagen: Sierra Wireless)

Un tercer ejemplo de una puerta de enlace de IoT comercial proviene de Laird Technologies. Su Serie Sentrius RG1xx es notable por su uso de LoRaWAN, una tecnología WAN de baja potencia y largo alcance para la conectividad a Internet. La unidad utiliza un microprocesador integradoAtmel A5 y ejecuta el sistema operativo Linux. Además de LoRaWAN, la unidad ofrece wifi de 2.4 y 5 GHz, Bluetooth 4.0 e interfaces inalámbricas Bluetooth de baja energía, además de una interfaz Ethernet. Debido a su conectividad de largo alcance, Sentrius tiene como objetivo el medidor inteligente, la automatización industrial y las aplicaciones agrícolas.

Puesta en marcha de una puerta de enlace

Las puertas de enlace IoT como las de Rigado, Sierra Wireless y Laird Technologies permiten a los diseñadores conectar sus redes inalámbricas de baja potencia a Internet y servicios en la nube sin tener que diseñar hardware y firmware de puenteo complejos. Sin embargo, se requiere algo de trabajo de desarrollo para garantizar una operación sin interrupciones. Afortunadamente, los fabricantes de puertas de enlace de IoT suelen ofrecer productos, herramientas y servicios para facilitar este proceso de desarrollo.

Sentrius de Laird, por ejemplo, está diseñada para conectarse con los módulos inalámbricos de baja energía LoRaWAN/Bluetooth de la serie RM186/191 de la compañía para aplicaciones de sensores inalámbricos. Estas unidades combinan la conveniencia y la interoperabilidad de teléfonos inteligentes de Bluetooth de baja energía con el alcance extendido (hasta 15 km) de LoRaWAN. Laird ofrece un kit de desarrollo, el DVK-RM186-SM-01, que facilita el proceso de conexión de los módulos a la puerta de enlace de Sentrius. Al usar el entorno de desarrollo Nodo-RED de la empresa y las pautas relacionadas, el proceso se vuelve relativamente sencillo.

Sierra Wireless sugiere que la plataforma de código abierto Linux de Legato se use para conectar su puerta de enlace FX30 IoT a la nube. Legato presenta una aplicación "sandbox", que proporciona un entorno seguro para ejecutar y controlar múltiples aplicaciones. La plataforma también ofrece interfaces de programación de aplicaciones (API) que les permiten a los desarrolladores conectarse a la nube.

Para los desarrolladores que necesitan diseñar redes avanzadas, Legato ofrece un entorno completo de desarrollo integrado (IDE) basado en Eclipse con soporte multilingüe y un conjunto de herramientas de diagnóstico para permitir la depuración, la resolución de problemas, el monitoreo y la creación de perfiles a nivel local y remoto.

Envío de datos a la nube

Rigado simplificó aún más la red inalámbrica y la conectividad en la nube con su kit de desarrollo VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT, que incluye una puerta de enlace Vesta y un kit de desarrollo de baja energía con Bluetooth Nordic Thingy:52 (Figura 3). El kit de desarrollo les permite a los ingenieros hacer un prototipo de soluciones que conectan sensores Bluetooth 5/Bluetooth de baja energía a la nube. La ventaja de trabajar con el kit de desarrollo de IoT es que no se requiere experiencia en RF porque el sensor Thingy:52 ya está configurado para comunicarse con la puerta de enlace Vesta. Los prototipos se simplifican aún más porque el entorno de desarrollo Nodo-RED de Rigado incluye una aplicación de demostración que envía datos del sensor Thingy:52 a través del servicio en la nube de la puerta de enlace Vesta al servicio en la nube de Amazon Web Services (AWS).

Figura 3: El kit de desarrollo VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT de Rigado incluye un kit de desarrollo de puerta de enlace Vesta y Nordic Thingy:52 IoT de semiconductor nórdico. El entorno de desarrollo Nodo-RED de Rigado simplifica la configuración de la puerta de enlace. (Fuente de la imagen: Rigado)

Enviar datos de los diversos sensores de Nordic Thingy:52 a AWS a través de la puerta de enlace Vesta es sencillo. Vesta se configura primero como un punto de acceso wifi y se conecta a la red wifi del desarrollador a través de un navegador. Al hacer clic en la URL proporcionada, se inicia la aplicación Nodo-RED, que luego escanea automáticamente el Nordic Thingy:52, intenta conectarse y escanea en busca del identificador único universal (UUID). Una vez que se establece una conexión, los datos del sensor se leen desde Nordic Thingy:52 y se envían a AWS y al panel de aplicaciones de Nodo-RED. Desde la placa, el desarrollador puede hacer cambios para filtrar qué información se transfiere y con qué frecuencia se envía.

El entorno de desarrollo Nodo-RED también proporciona una forma sencilla para que los desarrolladores experimentados creen flujos de trabajo basados en el navegador para conectar dispositivos de hardware, interfaces de programación de aplicaciones (API) y servicios en la nube.

La conexión de una red de sensores a la nube a través de una puerta de enlace de IoT multiplica la utilidad del sistema. Los proveedores de servicios en la nube suelen proporcionar infraestructura para manejar los datos brutos de los sensores, manipular y analizar esos datos y presentar información útil o comentarios derivados de ellos.

Al utilizar el sistema en la nube de AWS, por ejemplo, la puerta de enlace Vesta se conecta con la puerta de enlace API de AWS (Figura 4). Al usar la puerta de enlace API, un desarrollador puede crear, configurar y alojar una API para permitir que las aplicaciones de la puerta de enlace Vesta accedan a la nube. Por ejemplo, una aplicación puede usar la API para cargar datos de temperatura y humedad de los sensores incorporados de Nordic Thingy:52. Los datos brutos se pueden almacenar en un "cubo" de Amazon S3 o en el servicio de base de datos Amazon DynamoDB.

Figura 4: La puerta de enlace Vesta aprovecha el servicio en la nube AWS de Amazon para recopilar datos y ejecutar cualquier código asociado. (Fuente de la imagen: Rigado).

Otro elemento de AWS, AWS Lambda, ofrece un servicio informático que le permite al desarrollador ejecutar código basado en la nube sin tener que aprovisionar o administrar servidores. AWS Lambda es compatible con Node.js, Java, C# y Python.

Por ejemplo, un desarrollador podría usar el código que se ejecuta en AWS Lambda para notificar los valores extremos y medios de la temperatura y la humedad durante un día, una semana y un mes utilizando datos brutos enviados por Nordic Thingy:52.

Es relativamente sencillo configurar AWS Lambda para ejecutar código en respuesta a eventos desencadenantes, como cambios específicos en los datos del depósito o la base de datos. Por ejemplo, un desarrollador puede elegir ejecutar un código que envía una notificación a un teléfono inteligente si la temperatura o la humedad excede un umbral establecido.

Una vez que se completa el prototipo, la familia Rigado de módulos basados en semiconductores nórdicos para aplicaciones de red de sensores inalámbricos de Bluetooth 5/Bluetooth de baja energía puede sustituirse por Nordic Thingy:52 para producir un diseño terminado para la producción.

Conclusión

La conectividad en la nube es esencial para maximizar los beneficios de la tecnología inalámbrica inteligente, sin embargo, sigue siendo un desafío técnico difícil debido a la falta de interoperabilidad entre los populares protocolos inalámbricos de baja potencia e IP. Una solución conveniente y rápida es emplear una puerta de enlace de IoT, un dispositivo de acceso directo que une las redes inalámbricas de sensores con la nube con un mínimo gasto de diseño.