Los expertos pronosticaron hace casi una década que el protagonismo de Internet de las Cosas (IoT) se habría extendido tanto que sería casi omnipresente. Aunque nadie duda que la tecnología IoT va a desempeñar un papel primordial en la transformación digital, antes debe resolver algunas cuestiones. Si las primeras previsiones acerca de IoT hubieran sido correctas, el número de nodo operativos sería del orden de 50.000 a 65.000 millones en la actualidad.

La realidad es que la cifra es mucho menor y la mayoría de las estimaciones (entre ellas las de IoT Analytics y Statista) estiman el total en unos 12.000 a 13.000 millones.

Factores afectan a la adopción de IoT
Existen varias razones que explican la evolución más lenta de la tecnología IoT por lo que se refiere al despliegue de nodos. Estas son algunas de las más destacables:

1. Cada nodo IoT necesita normalmente una cantidad considerable de componentes, lo cual puede ser problemático cuando el espacio es limitado. Los nodos han de ser tan pequeños como sea posible sin que ello afecte a su rendimiento, funcionalidad o vida operativa.
2. A continuación está el gasto en capital (CAPEX). Si bien los costes de la lista de materiales para un solo nodo IoT no pueden parecer muy grandes, pueden resultar preocupantes al desplegar redes formadas por un gran número de nodos. De ahí que los diseños deban tan optimizados como sea posible; lo ideal es que solo conste de muy pocos dispositivos.
3. Junto con el CAPEX también hay que tener en cuenta el gasto operativo (OPEX). Una vez instalados los nodos que constituyen una red IoT, puede haber unos costes de funcionamiento considerables si hay que recurrir a los técnicos para que realicen algún tipo de trabajo de mantenimiento.
4. La generación de residuos electrónicos también se ha señalado como un importante motivo de preocupación y la existencia de decenas de miles de millones de nodos IoT instalados en todo el mundo podría incidir en ello de modo sustancial. Es preciso dar pasos para combatir la acumulación de materiales de desecho relacionados con los nodos IoT con el paso del tiempo.

Crear un nuevo paradigma de alimentación
La alimentación de nodos IoT afecta a los cuatro factores citados. Es preciso destinar una gran cantidad de espacio en la placa para colocar sus células de baterías de Li-Ion. Además, estas baterías tienen su correspondiente CAPEX y OPEX; en concreto la parte de OPEX suele ser la más cuantiosa. Dependiendo de la aplicación, del número de veces al día en que un sensor adquiere datos y de la frecuencia a la que se comunica el transceptor inalámbrico con su concentrador (hub) asignado, la autonomía de una batería para IoT suele ser de 18 meses a 2 años. Sin embargo, los propios nodos podrían seguir funcionando durante 10 o posiblemente 15 años. Esto significa que, tras instalar los nodos IoT, habrá que cambiar las baterías en varias ocasiones durante su vida útil.

Dado que las redes pueden estar formadas por muchos miles de nodos, el esfuerzo logístico que supone la sustitución de las baterías será gigantesco y exigirá personal con dedicación a tiempo completo. Bajo estas circunstancias, la preocupación por el OPEX afectará negativamente el despliegue de IoT. A ello hay que añadir que, en el caso de que las cargas de trabajo sean elevadas, las baterías se agotarán con rapidez, por lo que el CAPEX podría ser incluso mayor que el OPEX. Finalmente, si no se desechan de maneta correcta, las sustancias que contienen estas baterías acabarán en el suelo o el agua y perjudicarán a animales y plantas.

Cómo lograr que IoT sea más sostenible
Las instalaciones de IoT cuya alimentación depende de una batería presentarán grandes inconvenientes a causa de los costes y de lo sensibles que sean los ecosistemas afectados por los contaminantes. De ahí que recurrir a la captación de energía se considere un mejor punto de partida para construir redes IoT ya que la alimentación se extrae del entorno.

Una estrategia basada en la captación de energía para alimentar nodos IoT permite eliminar el uso de la batería, lo cual anulará el CAPEX y el OPEX que conlleva comprar y sustituir las baterías. También significa que se generarán muchos menos residuos electrónicos por actividades IoT. No obstante, es preciso resolver algunos aspectos para que este planteamiento demuestre ser totalmente efectivo.

Retos de la tecnología de captación de energía
Para que la adquisición de energía de fuentes sostenibles en el entorno de los nodos IoT se generalice es necesario introducir mejoras en el propio hardware. En concreto debe haber avances en los circuitos integrados de gestión de alimentación (power management ICs, PMIC) ya que son los dispositivos encargados de gestionar todo el proceso de captación de energía. Son los que deciden qué cantidad de electricidad ha de llegar a los nodos IoT para que desempeñe sus funciones en este momento y cuánto se ha de almacenar para su uso posterior. Ciertas características hacen que actualmente los PMIC estén lejos de ser ideales en un contexto IoT. Los dos motivos principales son que carecen de la eficiencia de conversión adecuada y que exigen incorporar muchos componentes pasivos.

Por encima de todo, los módulos inalámbricos que se pueden instalar en nodos IoT suelen ser demasiado voluminosos, su consumo es muy elevado y su coste es muy alto, por lo que no son prácticos. También existen inconvenientes relacionados con los módulos SIM (subscriber identity modules) necesarios para IoT celular. Los SIM tradicionales ocupan mucho espacio y su consumo de las escasas reservas es muy alto. También presentan problemas desde un punto de vista ecológico ya que los soportes del tamaño de una tarjeta de crédito en los que se alojan los SIM son otra fuente de residuos electrónicos cuando se desechan. De ahí que se estén evaluando otras opciones para guardar la información del SIM.

En busca de una respuesta al dilema de IoT
Gracias al esfuerzo conjunto de los equipos de ingeniería de Murata, Deutsche Telekom y Nowi ha sido posible disponer de una plataforma que transformará el desarrollo de nodos IoT. Esta plataforma facilitará el desarrollo de nodos autónomos por lo que respecta a la energía, que no consumirán mucha electricidad ya que esta se adaptará al rendimiento, ni los costes de su lista de materiales será excesivo ni será demasiado grande como para que haya restricciones en los lugares en los que se pueda implementar.

La plataforma ACDS (Autonomous Cellular LPWA Development Solution), antes conocida como plataforma ACDS por Autonomous NB-IoT Development Solution, está constituida por tres elementos principales. En primer lugar se encuentra un pequeño módulo IoT celular de modo dual de Murata, capaz de alcanzar unas velocidades de transmisión en el enlace descendente de 26,15kbps (para NB-IoT) y 1Mbps (para Cat.M1) y mantener unos elevados niveles de eficiencia energética. Además incorpora las funciones eDRX (extended discontinuous reception) y PSM (power saving mode) que minimizan el consumo.

Junto a él se encuentra la tecnología nuSIM proporcionada por Deutsche Telekom y que reduce la superficie ocupada en la placa, además de evitar la generación de residuos de plástico al integrar la información del abonado directamente en el módulo inalámbrico. Al ahorro de espacio y el menor impacto medioambiental hay que añadir que los nuSIM son alrededor de un 35% más rápidos al conectarse a una red que los SIM convencionales, por lo que requieren menos electricidad. No hay necesidad de detectar la presencia del SIM de manera continua, lo cual disminuye aún más el consumo de electricidad.

La pieza final para completar este rompecabezas es el PMIC Nowi NH2, que está optimizado para instalaciones de IoT basadas en la captación de energía en lugar de baterías. Este dispositivo es el responsable de gestionar la transferencia de energía a la plataforma ACDS desde su fuente de alimentación renovable (que es un pequeño panel fotovoltaico). El umbral a partir del cual se inicia la alimentación es muy bajo (solo 10µW), lo cual significa que se puede extraer energía a partir de niveles relativamente pequeños de iluminación. Gracias a un tiempo de estabilización del punto de máxima potencia (MPPT) no superior a 1s, el PMIC NH2 alcanza una impresionante eficiencia media de conversión de potencia del 80%. Como usa conversión capacitiva necesita muchos menos componentes pasivos que otros PMIC de captación de energía y, como consecuencia de ello, de nuevo ocupa menos superficie en la placa y los nodos pueden ser más pequeños.

Capacidad de autonomía energética
Con tan solo 3000lux (que es el nivel de iluminación en un día bastante nublado) que incidan sobre el panel solar de ACDS durante 6 horas se generará una corriente media de carga de 1,1mA, suficiente para realizar hasta 60 transmisiones de NB-IoT al día. Los nodos IoT desarrollados mediante la plataforma ACDS ofrecerán, por tanto, una capacidad más que adecuada para la inmensa mayoría de las aplicaciones previstas.

Conclusión
El OPEX, el CAPEX y el impacto medioambiental de las instalaciones de IoT sencillamente no se pueden ignorar. A ello se suma que, si no aborda de manera adecuada, la situación aún se complicará a media que aumente el tamaño de las redes. El planteamiento descrito en este artículo, en el que los nodos IoT se desarrollan de manera que no se vean limitados por la incorporación de una batería sino que se basen en la captación de energía, junto con el hardware y la comodidad de la integración de SIM, ofrece muchas ventajas. Permite racionalizar las listas de materiales, reduce el coste total de propiedad de la red y aporta una sostenibilidad mucho mayor desde el punto de vista de los residuos electrónicos generados. También es previsible que facilite el despliegue de redes IoT en entornos más amplios y ayudará a obtener la inversión necesaria y factible para más empresas, compañías de suministro, gobiernos municipales y otras muchas organizaciones de diverso tipo.

Shohei Kawanaka, Product Manager, Europe, Connectivity Module, Murata