Hoy en día, las interfaces inalámbricas están muy difundidas y proporcionan una conectividad esencial en todo, desde los dispositivos de los consumidores hasta los sistemas industriales de IoT. En este artículo analizaremos las características de cuatro estándares inalámbricos conocidos (Wi-Fi, Bluetooth Mesh, Z-Wave y móvil) y revisaremos algunas de las plataformas de desarrollo disponibles.

Los ingenieros electrónicos siempre han considerado que el diseño de circuitos de radiofrecuencia (RF) era una especie de arte oscuro que convenía dejar en manos de los expertos. Un factor que dificulta el diseño de RF es que los componentes parásitos, frecuentemente ignorados en el diseño, se vuelven más relevantes a altas frecuencias. Al diseñar una PCB se debe también tener en cuenta los efectos de las líneas de transmisión, los retrasos de la señal y las reflexiones, así como cualquier señal marginal que pueda interferir en el equipo cercano. Los últimos obstáculos que hay que superar son el cumplimiento de las normas del protocolo y la aprobación reglamentaria. Para facilitar el desarrollo de los productos, existen los módulos de RF y los productos System in Package (SiP) que vienen precertificados e incluyen todas las funciones necesarias.

Piense en un módulo inalámbrico normal, compuesto por un transceptor de radio, un oscilador de cristal, circuitos de RF y una antena de circuito impreso. También incluirá un microcontrolador con firmware para implementar la pila de protocolos. Además, podrá tener integradas otras funciones, como la gestión de la energía e interfaces externas. Lo más habitual es que cuente con un kit de evaluación y desarrollo específico. Los kits de desarrollo ayudan en la evaluación inicial del módulo inalámbrico. También pueden utilizarse como plataforma de desarrollo de software y para construir una demostración o un prototipo. Sin embargo, sigue siendo necesario comprender los parámetros que definen el rendimiento de una tecnología inalámbrica y su idoneidad para una aplicación concreta. Por ejemplo, algunas aplicaciones requieren velocidades de datos elevadas o una comunicación de largo alcance, mientras que otras están más orientadas al bajo consumo de energía.

Wi-Fi

Wi-Fi es, probablemente, el estándar inalámbrico más conocido y el más utilizado en entornos domésticos y oficinas por su acceso integral a datos de alta velocidad. Su alcance en el interior es de unos 10 a 30metros, al estar limitado por obstáculos, como puedan ser las paredes, pero en el exterior puede llegar a alcanzar distancias de más de 100metros. Los actuales estándares Wi-Fi utilizan dos radiofrecuencias: 2,4GHz y 5GHz. El estándar de 2,4GHz ofrece velocidades de transferencia de datos de hasta 600Mb/s. La banda de frecuencia superior puede proporcionar velocidades de datos mayores, pero su alcance también está más limitado por obstáculos sólidos. 

El kit Smart Device Enablement Kit Wi-Fi AC164165  de Microchip Technology es una plataforma de demostración y desarrollo Wi-Fi. Basado en un módulo de 2,4GHz compacto de una sola banda (ATWINC15x0), está optimizado para aplicaciones IoT de bajo consumo. El controlador Wi-Fi es compatible con los estándares IEEE 802.11b/g/n y su capa física avanzada (PHY) proporciona una sensibilidad y un alcance excelentes.

Figura 1: Kit Smart Device Enablement Wi-Fi AC164165 (fuente: Microchip).

Además del microcontrolador y de diversas interfaces estándar, la placa base incluye también circuitos de gestión de energía. Por ejemplo, el controlador de carga, para la gestión de baterías externas de ion de litio o polímero de litio, permite la creación de prototipos de dispositivos portátiles. Los sensores ambientales integrados de humedad, presión y luz ambiental suponen una característica añadida.

 El kit viene preprogramado para funcionar con Amazon Alexa, puesto que proporciona conectividad a la nube para agilizar la creación de prototipos. Los desarrolladores pueden utilizar Atmel Studio IDE para personalizar la aplicación.

Red Bluetooth

Principalmente utilizado para la comunicación de corto alcance, Bluetooth sustituye a las conexiones por cable de los dispositivos periféricos, como p.ej. las impresoras. En comparación con la tecnología Wi-Fi, Bluetooth consume menos energía, tiene menor alcance y una velocidad máxima de datos de 1 o 2Mb/s. Sin embargo, con la reciente aparición del estándar Bluetooth 5, la capacidad de la red en malla ha aumentado su alcance considerablemente.

Figura 2: Gráfico de una red en malla (fuente: Mouser Electronics).

El kit de evaluación de red EZ-BTde Cypress sirve para evaluar la red Bluetooth e incluye cuatro nodos completos de Bluetooth que proporcionan una red sencilla directamente en la caja. Si se desea aumentar la red, solo hay que añadir más nodos.

El módulo inalámbrico está basado en CYW20819, un dispositivo Bluetooth 5 de bajo consumo y modo dual, e incluye un oscilador de cristal y una antena de circuito impreso. También dispone de periféricos ADC y PWM y varias interfaces en serie, incluida una interfaz de audio PCM/I2S. Por si fuera poco, cada placa base del kit cuenta con interfaces USB y UART, un LED RGB definible por software y un interruptor, un sensor de luz ambiental, un termistor y un sensor de movimiento PIR. Su bajo consumo energético convierte a este módulo en la solución ideal para aplicaciones que funcionen con pilas, por eso se ha incluido un compartimento para pila de botón en la placa.

Figure 3: Características de la placa del nodo de red Bluetooth (fuente: Cypress).

Para facilitar el desarrollo del IoT, el entorno de desarrollo de software ModusToolbox^® incluye un IDE, paquetes de soporte de placa, bibliotecas de middleware y una amplia gama de ejemplos de código de aplicación.

Z-Wave

Diseñado principalmente para aplicaciones de domótica, Z-Wave es un protocolo inalámbrico de muy bajo consumo. Transmite pequeñas cantidades de datos de forma intermitente y suele alimentarse con una pila de botón o mediante la captación de energía. Al igual que otras tecnologías inalámbricas, Z-Wave utiliza una red en malla para facilitar la comunicación entre todos los dispositivos y ampliar el alcance.

Figura 4: Kit de inicio inalámbrico Z-Wave 700 (fuente: Silicon Labs).

El kit die inicio inalámbrico Z-Wave 700de Silicon Labses una plataforma integral de evaluación y desarrollo. Contiene dos placas base principales con placas de radio adicionales que incluyen el transceptor de RF, un oscilador de cristal y componentes de apoyo. La placa de radio también puede utilizarse como diseño de referencia para el módulo SiPZGM130S.

Cada placa base tiene una amplia gama de interfaces externas, como Ethernet y USB, además de una ranura para tarjetas microSD. Incluye, además, una pantalla LCD de 128×128píxeles, sensores de humedad y temperatura y un compartimento para una pila de botón. También dispone de un cabezal de expansión para placas adicionales si se desea integrar otro hardware. El entorno de Simplicity Studioadmite el desarrollo de software en un IDE estándar del sector, con ejemplos de aplicación y herramientas para la elaboración de perfiles energéticos, la configuración y el análisis de redes inalámbricas.

El internet de las cosas de banda estrecha (NB-IoT)

Por último, la tecnología móvil LTE, o 4G, es bien conocida por el mundo de la telefonía móvil. El estándar IdC BE utiliza un subconjunto de LTE, lo que limita el ancho de banda a 200 kHz para reducir el consumo de energía para las aplicaciones de IdC y de bajo consumo.

El kit Multisensor Prototyping Thingy:91™de Nordic Semiconductor resulta ideal para el desarrollo de IoT móvil de bajo consumo. Basado en el SiP nRF9160, integra un front-end RF con un módem LTE-M/IdC BE multimodo para que resulte compatible con Bluetooth, telefonía móvil y GPS. El kit también incluye gestión de energía integrada en la batería recargable de polímero de litio (Li-Po), por lo que es ideal para desarrollar aplicaciones con batería y portátiles. También incluye una sorprendente gama de sensores ambientales: de temperatura, humedad, calidad y presión del aire, luz y color así como dos acelerómetros, que son extremadamente útiles para pruebas de concepto y pruebas en general.

Figura 5: Kit Multisensor Prototyping Thingy:91™ (fuente: Nordic Semiconductor).

Conclusión    

Existen muchos protocolos de comunicación inalámbrica disponibles. La elección correcta dependerá de los requisitos de cada aplicación. Sea cual sea el estándar elegido, existe una gran cantidad de módulos y kits de desarrollo para iniciar el proyecto, acelerar el desarrollo y reducir el tiempo de comercialización. Una vez creado el prototipo y llevado a cabo el desarrollo inicial, es aconsejable usar el mismo módulo inalámbrico en el producto final para ahorrar tiempo y esfuerzo de ingeniería.

Para obtener más información sobre todas las opciones disponibles de desarrollo de aplicaciones inalámbricas, visite el sitio web de Mouser https://eu.mouser.com/.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics