Visión general de la tecnología inalámbrica para el IoT

El Internet de las Cosas (IoT) es tan conocido como desconocido en el mundo moderno. Es un término común para las personas de la industria tecnológica y el mundo corporativo, pero rara vez lo escucha la población en general, aunque forma parte de su vida cotidiana. IoT es la conectividad de objetos físicos como dispositivos, vehículos, edificios, aparatos electrónicos y redes que les permite interactuar, recoger e intercambiar datos. Se aplica a millones de cosas diferentes, incluidos los productos tradicionales actualizados que antes no estaban conectados a Internet.

En este artículo se analizan las múltiples formas en que estos dispositivos pueden comunicarse de forma inalámbrica.

Tres formas de llevar los datos a la nube

Uno de los retos del IoT es llevar los datos desde el sensor del dispositivo hasta la nube, donde se utilizan, procesan y almacenan esos datos. El uso omnipresente de Wi-Fi y Bluetooth a través de los teléfonos inteligentes, junto con la disponibilidad generalizada de torres de telefonía y puntos de acceso Wi-Fi públicos, proporciona más acceso a la nube para los sensores de IoT que nunca. Hay tres formas básicas de llevar los datos a la nube.

Del sensor a la puerta de enlace y a la nube. En algunas aplicaciones, es óptimo enviar los datos de los sensores a una puerta de enlace que, a su vez, transmite los datos de forma eficiente a la nube. Dependiendo de las necesidades de la aplicación, la puerta de enlace puede ir desde simples sistemas de retransmisión hasta plataformas "inteligentes" que realizan funciones más intensivas en computación llamadas "procesamiento de borde". Dispositivos como los sensores de aparcamiento y de utilización de mesas suelen depender de puertas de enlace para transmitir los datos. El Wi-Fi es un ejemplo de puerta de enlace. Para su uso en el hogar, es necesario instalar una puerta de enlace Wi-Fi. En los lugares públicos en los que la puerta de enlace ya está instalada, el Wi-Fi funciona directamente con la nube. Otros tipos de comunicaciones inalámbricas, como el Bluetooth, requieren una puerta de enlace. Un ejemplo de Wi-Fi en el hogar es Hatch Baby Grow, un cambiador inteligente y una báscula conectada. Utiliza el Wi-Fi para transmitir los datos de la báscula en el cambiador a la Internet de casa. Los padres y el pediatra pueden hacer un seguimiento de la información en la nube a través de una aplicación para Android o iOS.

Del sensor al móvil y a la nube. En algunos casos, la puerta de enlace puede ser un teléfono móvil. Los teléfonos inteligentes con capacidad Wi-Fi o Bluetooth actúan como puertas de enlace para enviar datos a la nube. Por ejemplo, Voler ayudó a desarrollar unos auriculares que controlan el equilibrio de los ancianos. Disponen de transmisión inalámbrica Bluetooth LE a un smartphone donde hay una app asociada. Los datos también se envían a la nube desde el teléfono inteligente, donde se puede realizar el procesamiento posterior y compartir los datos.

Dispositivo inteligente directamente a la nube. El sensor puede conectarse directamente a la nube mediante tecnologías como NB-IoT, LTE-M o LoRa. Estas tecnologías transmiten durante kilómetros a muy baja potencia, siempre que la velocidad de transmisión de datos sea baja. Se conectan a Internet a través de los equipos que suelen instalarse en las torres de telefonía móvil. Funcionan de forma muy parecida a los teléfonos móviles, salvo que la velocidad de datos y la potencia son mucho menores. Hay un cargo mensual, pero suele ser muy pequeño.

Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de planificar una estrategia de comunicación inalámbrica del IoT son: la cantidad de datos que se van a transferir, la distancia a la que se encuentra la fuente de datos de Internet, la cantidad de energía que se necesita y el costo del servicio, si lo hay. El uso generalizado de los smartphones y la posibilidad de elegir entre los estándares de radio Wi-Fi o Bluetooth ofrecen una conectividad muy cómoda. Los estándares más nuevos, como NB-IoT y LTE-M, abren más opciones para la futura Internet de los objetos.

¿Por qué son necesarias las nuevas tecnologías?

El IoT sigue evolucionando. Con cada iteración llega un menor consumo de energía, una comunicación inalámbrica más larga y mejores funciones. Los nuevos dispositivos pueden aprovechar la nueva tecnología y ofrecer un mejor rendimiento.

Qué hay que tener en cuenta para las compensaciones

Cada vez que Voler diseña un dispositivo vestible o cualquier dispositivo que funcione con batería, los clientes lo exigen:

• Funcionar durante mucho tiempo
• Transmitir muchos datos a larga distancia
• Tener una batería diminuta

Estos requisitos contrapuestos tienen sus contrapartidas. La ingeniería consiste en hacer concesiones. Considerar la funcionalidad del sistema requerida y hacer las compensaciones de ingeniería necesarias para proporcionar un rendimiento óptimo de acuerdo con los requisitos del sistema. Es importante ofrecer al mismo tiempo una experiencia de usuario satisfactoria. El resultado es un diseño con los mejores compromisos entre las muchas opciones.

Consideraciones de compensación

Voler ha trabajado recientemente con una empresa emergente para mejorar la duración de la batería de su producto conectado. Se basó en el impModule™ de Murata con un procesador Arm® y un transceptor Wi-Fi. Necesitaban una duración de la batería de muchas semanas, y fue menos de una semana después del prototipo. Voler revisó el código para cumplir con la duración necesaria de la batería. El código original no funcionaba como estaba previsto.

En la transmisión inalámbrica hay que gestionar tres cosas: la potencia necesaria para transmitir, la velocidad de datos y el alcance de la transmisión. Elegir el estándar inalámbrico adecuado es importante. Consulte la siguiente tabla cuando seleccione un estándar inalámbrico para el dispositivo IoT que está diseñando. La tabla enumera los estándares inalámbricos más comunes utilizados para los dispositivos IoT, junto con sus características.

Tabla 1: Estándares inalámbricos comunes y sus capacidades. (Fuente de la tabla: Voler)

Los distintos estándares inalámbricos requieren niveles de potencia muy diferentes. La potencia necesaria depende de la velocidad de los datos y del alcance de la transmisión. Por ejemplo, en referencia a la Tabla 1, un dispositivo puede requerir 120 mW de potencia para transmitir 100 bits de datos por segundo un kilómetro utilizando LTE Cellular. Pero si se utiliza Bluetooth LE para transmitir 1 metro, un dispositivo puede necesitar solo 0.15 mW de potencia.

Comparación de los estándares inalámbricos del IoT

Tabla 2: Comparación de los estándares inalámbricos de IoT. (Fuente de la tabla: Voler)

Requisitos de alimentación para las opciones inalámbricas más populares

Si un dispositivo solo necesita transmitir datos hasta 10 metros, BLE y Bluetooth son suficientes. Pero los dispositivos IoT para fines industriales y comerciales, como la gestión de inventarios o los dispositivos vestibles para la monitorización de la salud, pueden requerir una comunicación de mayor alcance, como NB-IoT o LTE-M. Si un dispositivo envía muchos datos, como una cámara de video, BLE no puede manejarlo. Se requieren opciones de alta potencia como Wi-Fi y LTE.

Por otro lado, los protocolos inalámbricos celulares NB-IoT y LTE-M permiten a los dispositivos IoT transmitir datos a lugares distantes a baja potencia. Lo mismo ocurre con SigFox, que puede transmitir datos hasta 50 kilómetros. Pero a diferencia de los estándares celulares con una alta tasa de datos, SigFox sólo puede transmitir hasta 300 bits de datos por segundo.

Red privada frente a red pública

Una red privada tiene una pasarela instalada y controlada por un proveedor para uno o un número limitado de usuarios. Una red pública dispone de una pasarela que muchos usuarios pueden utilizar pagando una cuota mensual. Un ejemplo es el servicio de telefonía móvil.

Las redes públicas requieren la instalación de infraestructuras, como las torres de telefonía móvil. Los teléfonos móviles son muy populares y pueden desplazarse fácilmente gracias a la instalación generalizada de torres de telefonía. SigFox y LoRa tienen una infraestructura limitada en los Estados Unidos, por lo que un dispositivo que utilice esta tecnología no funcionaría en la mayoría de los lugares. LoRa tiene la opción de una red privada utilizando una pasarela.

En 2019 la instalación de infraestructura para NB-IoT y LTE-M superó el punto en el que el 90% de la población de Estados Unidos está cubierta. Se está acercando a la disponibilidad de cobertura celular. Aunque existe desde hace años, por fin se puede utilizar esta tecnología en nuevos dispositivos. La infraestructura también existe en la mayoría de los principales países del mundo. Se espera un rápido aumento del uso de NB-IoT y LTE-M. Sigfox y LoRa están muy atrasados en la instalación de infraestructura pública.

A continuación, un resumen de las opciones inalámbricas privadas y públicas:

Privado

• Ambos extremos de la comunicación son de propiedad privada
• Se puede instalar en cualquier lugar
• Espectro sin licencia
• Coste de instalación de estaciones base y puntos finales
• Sin cuota mensual

Público

• La red propiedad del proveedor - por ejemplo, celular
• Sólo funciona donde existen estaciones base
• Facilidad de itinerancia
• Espectro con licencia
• Una tarifa mensual por el uso de la red

¿Cuándo mejorará la tecnología de las baterías?

Si las baterías fueran mejores, estas compensaciones serían más sencillas. El almacenamiento de energía química se está acercando al límite de su eficacia. Sin embargo, se está investigando mucho sobre una mayor densidad y una mayor seguridad.

Si las baterías hubieran progresado como los semiconductores en los últimos 50 años, tendríamos una batería del tamaño de la cabeza de un alfiler que costaría un céntimo y alimentaría nuestro coche. Ni que decir tiene que esa tecnología no está ni remotamente cerca y nunca lo estará. Por lo tanto, los dispositivos están limitados por el espacio necesario para el almacenamiento químico de la energía.

Las baterías actuales están a un 10% de lo último en almacenamiento de energía química, que sería algo así como la gasolina. Sin embargo, la gasolina tiene un problema de seguridad. Otra opción más eficiente es la energía nuclear, pero de nuevo habría un problema de seguridad, por no hablar de un problema de portabilidad. En el futuro habrá mejoras graduales en las baterías, pero los cambios serán lentos.

Consideraciones sobre los costos

Muchos fabricantes de dispositivos IoT invierten poco en seguridad para mantener sus productos asequibles y acelerar el tiempo de comercialización. Integrar la seguridad durante la fase de desarrollo puede añadir costes y tiempo al desarrollo de forma significativa. Sin embargo, construir dispositivos IoT con una seguridad IoT débil puede tener consecuencias más perjudiciales no solo para los clientes, sino también para la marca del fabricante, en términos de pérdida de productividad, multas legales/de cumplimiento, reputación dañada y pérdidas monetarias.

El estándar inalámbrico elegido para los dispositivos IoT puede influir significativamente en su rendimiento, usabilidad, seguridad y fiabilidad. El estándar más adecuado para un dispositivo IoT depende de su aplicación. Conocer el propósito del dispositivo puede ayudar a determinar los requisitos clave para su construcción, como la cantidad de energía que necesita para funcionar de manera eficiente, la rapidez con la que debe transmitir datos y la duración de la batería.

El equipo de expertos en desarrollo de dispositivos IoT de Voler System puede guiar al diseñador en la elección del estándar inalámbrico adecuado para las máquinas IoT. Póngase en contacto con un experto en IoT para obtener más información sobre la elección del estándar inalámbrico adecuado para el diseño de cualquier dispositivo IoT.