La mayor parte de la exageración de IoT ("Internet de las cosas") se trata de una visión futurista que tiene miles de millones de dispositivos que generan flujos de datos masivos que se incorporarán a sistemas avanzados de aprendizaje automático e IA ("Inteligencia artificial") para crear un enorme valor comercial. . Sin embargo, a menudo eclipsado en estas grandiosas discusiones está el hardware IoT que lo hace todo posible.
¿Qué es el IoT?
IoT es un sistema de dispositivos sensores, servidores y personas conectadas a través de redes IP ("Protocolo de Internet"). Los dispositivos sensores capturan y procesan datos de sensores, transmiten los datos de sensores a servidores donde los datos se almacenan y procesan junto con otros datos, a menudo datos históricos, de fuentes dispares para proporcionar visibilidad operativa y generar conocimientos novedosos sobre los que las personas pueden actuar. o por sistemas automatizados.
IoT es un cambio de paradigma que se aleja de los sistemas de alarma y monitoreo independientes verticalmente integrados que almacenan datos en silos y que solo pueden proporcionar informes y alertas preprogramados. Si bien estos sistemas heredados están limitados a vías de comunicación 1:1 (uno a uno) o 1:N (uno a muchos), los sistemas IoT permiten vías de comunicación M:N (muchos a muchos) que permiten a los desarrolladores reconfigurar los sistemas existentes para crear nuevas aplicaciones IoT que no fueron concebidas previamente.
Los dispositivos sensores se componen de cuatro elementos clave: sensores, procesadores, interfaces de red y fuentes de alimentación.
Sensores
Sin sensores, no hay datos de IoT.
En un nivel básico, todos los sensores IoT generan señales eléctricas analógicas que son proporcionales a una propiedad física. Luego, estas señales analógicas se convierten en datos digitales utilizando ADC ("Convertidor analógico a digital").
Los sensores pueden medir propiedades eléctricas simples como voltaje, corriente, resistencia, capacitancia, inductancia e impedancia. También pueden medir la fuerza y la dirección de los campos eléctricos y magnéticos, especialmente los cambiantes, a lo largo del espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta la luz y los rayos gamma.
Para los sensores que miden propiedades no eléctricas, un transductor convierte las propiedades físicas en señales eléctricas analógicas.
Las propiedades físicas comunes son:
• Parámetros espaciales como aceleración, velocidad/velocidad, vibración y desplazamiento/posición/desviación.
• Propiedades ambientales como la temperatura y la humedad.
• Dinámica de fluidos de líquidos o gases, como sonido, presión y caudales.
Los sensores pueden ser pasivos o activos. Los sensores activos emiten ondas de radio, luz o sonido al entorno y detectan los reflejos mediante un receptor que los procesa en mediciones. Aunque los sensores pasivos no emiten ondas al entorno, esto no implica que los sensores pasivos no estén alimentados. De hecho, muchos sensores pasivos generan campos eléctricos o magnéticos y detectan cambios en estos campos como un mecanismo de detección.
Los sensores digitales avanzados como GPS, radares, detectores químicos, giroscopios o cámaras digitales utilizan múltiples elementos de detección analógicos para tomar medidas. Luego, algoritmos sofisticados traducen estas mediciones sin procesar en datos de sensores útiles.
TÉRMICO
Una vez que se capturan los datos del sensor, se deben procesar antes de transmitir los resultados a la nube. El nivel de procesamiento varía mucho según la complejidad del sensor y la cantidad de procesamiento de datos requerido para generar los datos del sensor resultantes. Un ejemplo simple es que una lectura de temperatura puede ser un valor de datos único o un promedio de un conjunto de valores a lo largo del tiempo. Un ejemplo más complejo es una cámara de seguridad que puede no grabar video digital a menos que un algoritmo de detección de escenas marque un evento.
Según la complejidad y la potencia de procesamiento requerida, existen cuatro clases de plataformas de procesamiento para el hardware de IoT: PC, sistemas móviles, sistemas integrados basados en microprocesadores (MPU) y sistemas integrados basados en microcontroladores (MCU).
| PCs | Móvil | MPU integradas | MCU integrado | |
| Procesador | bits x86 (32/64) | Varía (32/64 bits) | Varía (32/64 bits) | Varía (8/32 bits) |
| Velocidad de reloj/núcleos | GHz / multinúcleo | GHz / multinúcleo | Varíable | MHz / de un solo núcleo |
| Salud Cerebral | RAM (GB) | RAM (GB) | RAM (MB/GB) | SRAM (KB/MB) |
| Almacenamiento | Disco duro/SSD (TB) | SSD/Tarjeta SD (GB) | HDD/SSD (GB), Flash (MB), Tarjeta SD (GB) | Flash NOR/NAND (kB/MB) |
| Bus Periférico | USB, PCIe | USB-OTG | USB, TWI, I2C, SPI, USART, Propietario | TWI, I2C, SPI, USART |
| Costo promedio del sistema | $ 100 a $ 3,000 | $100 a $1,000 | Varíable | $5- $50 |
| Networking | Ethernet, Wi-Fi™, Bluetooth™ | Wi-Fi™, Bluetooth™, NFC | Varíable | RF patentado o BLE™ |
| Gráficos | Gráficos integrados o tarjeta gráfica | Gráficos integrados | Varíable | Visualización de texto o caracteres simples |
| Enfriamiento | Activo (Aficionados) | Ingresos pasivos | Activo o pasivo | No suele ser necesario |
| Motor | Alimentado por línea (escritorio)
Batería recargable de iones de litio (portátil) |
Batería recargable de iones de litio | Alimentado por línea | Funciona con pilas |
Sistemas basados en PC
La PC es la plataforma configurable en última instancia que permite a los integradores de sistemas crear fácilmente sistemas personalizados a partir de placas base, procesadores, memoria, fuentes de alimentación y gabinetes económicos y ampliamente disponibles disponibles en el mercado. Los discos duros o SSD de Terabyte ("Solid State Drive") pueden proporcionar grandes capacidades de almacenamiento de datos. Los periféricos se pueden conectar a través de buses modernos basados en estándares USB ("Universal Serial Bus") o PCIe ("Peripheral Component Interconnect Express"), y todavía hay opciones para admitir buses de periféricos de PC heredados como RS-232/RS-422/ RS-485.
Además, existen incluso tarjetas de procesador de expansión que incluyen DSP, FPGA, GPU o E/S de alta velocidad para abordar las necesidades de aplicaciones especializadas.
Si bien las PC tienen una excelente relación precio-rendimiento, se basan en tecnología de consumo que tiende a tener ciclos de vida cortos y puede no ser adecuada para aplicaciones fuera de la oficina o los entornos domésticos.
Una alternativa a las PC son las SBC ("Single Board Computer") que se basan en la tecnología de PC, pero están diseñadas para aplicaciones integradas con componentes industriales robustos para proporcionar un rendimiento confiable en entornos operativos hostiles.
Debido a que los SBC tienen componentes de mayor calidad y los volúmenes de producción de SBC son relativamente bajos, son más costosos que el hardware basado en PC de rendimiento equivalente. Sin embargo, por lo general tienen largos ciclos de vida que pueden abarcar hasta una década.
Los sistemas basados en PC generalmente ejecutan sistemas operativos Windows o Linux.
Sistemas móviles
Los sistemas móviles son un subconjunto especializado de sistemas integrados que están optimizados para tabletas y teléfonos inteligentes, que son dispositivos alimentados por batería que requieren carga frecuente. Si bien estos dispositivos inherentemente personales brindan capacidades de procesamiento de alto rendimiento, también tienen capacidades avanzadas de administración de energía del sistema que les permiten conservar energía, lo que prolonga la vida útil de la batería.
Los sistemas móviles suelen tener muchos sensores integrados que incluyen 1 o 2 cámaras digitales, un acelerómetro 3D, un giroscopio, un sensor táctil, un barómetro, un sensor de proximidad, un magnetómetro (brújula), un sensor de luz ambiental y un receptor GPS.
Desafortunadamente, los sistemas móviles tienen capacidades de expansión muy limitadas.
Si bien los sistemas basados en Android pueden permitir la expansión a través de dispositivos USB OTG ("On-The-Go"), los sistemas basados en Apple solo permiten 3 dispositivos aprobados.rd dispositivos de fiesta a través del programa de licencias MFI ("Made-for-iPod").
Los sistemas móviles tienen una relación precio-rendimiento relativamente cara. Son dispositivos personales basados en tecnología de consumo con ciclos de vida cortos. Están limitados a la operación en ambientes interiores o exteriores templados, y también son relativamente frágiles y susceptibles a daños por caídas a menos que estén encerrados en un 3rd Estuche resistente para fiestas.
Aunque hay algunas otras opciones, Android de Google y iOS de Apple son los entornos de software más dominantes para los sistemas móviles.
Sistemas integrados basados en microprocesador (MPU)
Los sistemas integrados basados en MPU brindan la gama más amplia posible de opciones de rendimiento y capacidad que están optimizadas para abordar requisitos de productos específicos para productos electrónicos de consumo, controles industriales, dispositivos médicos, controles automotrices, sistemas de comunicación u otras aplicaciones de mercados verticales.
Por lo general, se basan en IC específicos de la aplicación ("Circuitos integrados") como SoC ("System-on-Chip") o SIP ("System-in-Package") que tienen núcleos integrados a nivel de chip que simplifican el esfuerzo de diseño y proporcionar soluciones rentables para nichos de productos específicos.
Las MPU normalmente ejecutan sistemas operativos multitarea de propósito general o RTOS ("Sistema operativo en tiempo real") que brindan respuestas deterministas para aplicaciones basadas en control.
Si bien la mayoría de los sistemas integrados tienen un diseño totalmente personalizado, algunos SoC están disponibles en factores de forma SOM ("System-on-Module") con conectores de acoplamiento estandarizados. Los SOM permiten a los desarrolladores evitar el trabajo difícil y lento de diseñar un sistema integrado personalizado desde cero. En su lugar, los diseñadores pueden concentrarse en diseñar PCB portadoras y en desarrollar software para personalizar su producto.
Los sistemas integrados basados en MPU pueden ejecutar Linux o una variedad de otros RTOS comerciales ("Sistema operativo en tiempo real").
Sistemas integrados basados en microcontroladores (MCU)
Los sistemas integrados basados en MCU brindan soluciones de muy bajo costo para aplicaciones con requisitos de procesamiento limitados.
Sin embargo, algunos microcontroladores avanzados incorporan módulos de hardware especializados para acelerar el procesamiento de imágenes o funciones de seguridad, como la aceleración criptográfica para el intercambio de claves públicas/privadas, hashing y TRNG ("Generación de números aleatorios verdaderos").
Los sistemas basados en MCU pueden ser muy eficientes desde el punto de vista energético porque tienen un control de potencia detallado del procesador, los periféricos y los relojes. Con fuentes de activación internas o externas de potencia optimizada, es posible crear productos de muy baja potencia que pueden durar muchos años sin necesidad de cargar la batería.
El software del sistema puede ser un simple bucle de ejecución más un controlador de interrupciones o puede ejecutar un RTOS de tamaño reducido.
Interfaz de red
Si bien algunos equipos de IoT se conectan a través de redes físicas como Ethernet, es mucho más común conectarse a Internet a través de redes inalámbricas como Wi-Fi™ o celular.
Potencia frente a rango frente a velocidad de datos
Las ventajas y desventajas del diseño clásico para los sistemas de comunicación inalámbrica son baja potencia, larga distancia o alta velocidad de datos. (¡Elige dos!)
| Tipo de red | Gama de Colores | Motor | Velocidad de datos | Con licencia | frecuencias |
| WiFi™ (802.11a/b/g/n/ac/ax) | Medio | Alta | Alta | No | 2.4 / 5 GHz |
| Blanco-Fi / Super Wi-Fi (802.11af) | Largo | Medio | Medio | No | 54-698 MHz |
| HaBajo (802.11ah) | Largo | Medio | Medio | No | 915 MHz |
| Bluetooth ™ | En Corto | Medio | Medio | No | 2.4 GHz |
| Bluetooth™ de baja energía (BLE) | En Corto | Baja | Bajo a medio | No | 2.4 GHz |
| 802.15.4 / ZigBee™ | Medio | Baja | Baja | No | 2.4 GHz |
| RF patentada | Varíable | Varíable | Varíable | No | 868 / 915 MHz |
| LPWAN – SigFox™ | Largo | Muy Bajo | Muy Bajo | No | 868 / 915 MHz |
| LPWAN: LoRA™/Sinfonía | Muy largo | Muy Bajo | Baja | No | 433 / 868 / 915 MHz |
| LPWAN – Ingenú | Medio a Largo | Baja | Baja | No | 2.4 GHz |
| LPWAN – Sin peso | Largo | Bajo a medio | Bajo a medio | No | 470-790 MHz |
| Celular – 2G, 3G, 4G, 5G | Largo | Alta | Alta | Sí | Bandas Regionales 3GPP |
| Celular – CAT-1M | Largo | Baja | Baja | Sí | Bandas Regionales 3GPP |
| Celular – NB-IoT | Largo | Muy Bajo | Muy Bajo | Sí | Bandas Regionales 3GPP |
Bandas con licencia vs sin licencia
Las autoridades gubernamentales regulan el acceso al espectro electromagnético. Pueden otorgar licencias a personas o entidades para operar transmisores inalámbricos dentro de una banda de frecuencia específica a un nivel máximo de potencia dentro de una determinada región geográfica.
A menudo, un proveedor de servicios de red inalámbrica que posee una licencia de frecuencia exclusiva, como un proveedor de servicios celulares, proporcionará acceso a su red a otros usuarios mediante el pago de una tarifa. En este caso, el proveedor de servicios es responsable de la operación y mantenimiento de la red inalámbrica.
El acceso a ciertas bandas de frecuencia está disponible para usuarios sin licencia si utilizan un sistema de comunicación inalámbrica aprobado que cumple con las regulaciones necesarias para la operación sin licencia. Estos sistemas de comunicación inalámbricos deben tener mecanismos de coexistencia inteligentes, como detección de portadora o agilidad de frecuencia para compensar la interferencia en banda de otros sistemas que operan simultáneamente dentro de las mismas bandas sin licencia.
Las redes sin licencia, como las redes Wi-Fi™, generalmente son operadas y mantenidas por los usuarios a su cargo.
Fuente de alimentación
La solución de energía más simple para el hardware de IoT es usar la energía de línea de la red eléctrica.
Sin embargo, muchas aplicaciones emergentes de IoT no pueden usar la energía de la línea porque no es fácilmente accesible en el área de implementación y sería prohibitivamente difícil o costoso instalar líneas eléctricas adicionales.
Recolección de energía
Para el hardware de IoT con bajos requisitos de energía, las nuevas tecnologías de recolección de energía, como las turbinas piezoeléctricas vibratorias, termopilas e hidrodinámicas o eólicas, pueden ser viables, pero los paneles solares siguen siendo la opción más popular. Aunque técnicamente es posible alimentar el hardware de IoT directamente desde estas fuentes de energía, una mejor opción es almacenar la energía para su uso posterior.
AHORRO DE ENERGÍA
Si bien los sistemas esotéricos de almacenamiento de energía continúan evolucionando, como los bancos de supercondensadores o las celdas de combustible, las tecnologías de baterías antiguas pero confiables siguen siendo la opción de almacenamiento de energía más popular para el hardware de IoT fuera de la red.
Con una variedad de químicas y tipos de construcción, las baterías ofrecen una amplia gama de opciones para tamaños de paquetes, capacidades de energía, rangos de voltaje y capacidades de suministro de corriente. Algunos incluso ofrecen características especializadas que minimizan la autodescarga, admiten corrientes de pulso altas, funcionan a temperaturas extremas o brindan ciclos de vida prolongados de hasta una década o más.
Resumen
Como puede ver, hay una gran cantidad de tecnologías de sensores, procesamiento, redes y suministro de energía disponibles para crear hardware de IoT para cumplir con los requisitos de rendimiento técnico para aplicaciones en el sector de la salud, el transporte, la industria, la automoción, las ciudades inteligentes y otros nichos de IoT. segmentos de mercado.
La clave es combinar las tecnologías apropiadas que cumplan con los requisitos de rendimiento técnico esenciales y, al mismo tiempo, satisfagan las restricciones comerciales necesarias para crear una solución de IoT viable.
