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Guía inicial para seleccionar kits de desarrollo con microcontrolador en aplicaciones IdC e IIdC

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El internet de las cosas (IdC) está en todas partes. Cuando un ingeniero de desarrollo de sistemas integrados empieza un diseño para el IdC, debe prestar mucha atención a distintos factores, como el consumo de potencia, las funciones de detección y la conectividad inalámbrica, por no hablar de la presión adicional de los plazos de comercialización.

Imagen 1: el kit de desarrollo Microchip

Los kits de desarrollo para el IdC son una solución viable y práctica para la creación de los prototipos en los que basar el diseño. Sin embargo, hay una amplia variedad de kits disponible, así que hay que considerar detenidamente los requisitos de la aplicación, las características del kit y las capacidades implicadas.
En este artículo, hablaremos de algunos de los factores que debemos tener en cuenta al elegir un kit de desarrollo IdC en un nuevo diseño.

La era de la conexión en línea
No cabe la menor duda: estamos en la era de la conexión en línea. Hay dispositivos conectados por todas partes: los llevamos puestos, nos ayudan a controlar de forma precisa el consumo de electricidad o nos avisan si alguien viene a visitarnos. En los procesos de fabricación industrial, el internet industrial de las cosas (IIdC) está revolucionando el funcionamiento de las fábricas y contribuyendo a la mejora de la eficacia global de los equipos. En apenas una década, hemos cambiado la manera de interactuar con el mundo y de controlarlo. No nos podíamos imaginar la vida sin el móvil, y ahora, nos hemos acostumbrado a obtener información instantánea sobre cualquier aspecto de la vida y el trabajo.
Los coches también están experimentando cambios radicales. Por ejemplo, ahora recibimos alertas e información actualizada sobre el tráfico que nos alerta de posibles atascos. En el campo de la atención sanitaria, los equipos de monitorización nos permiten estar en casa con la tranquilidad de saber que hay profesionales controlando aspectos de nuestra salud y que estarán disponibles si hubiera que intervenir.
La industria adoptó rápidamente el IdC, gracias a iniciativas públicas —como la Industria 4.0– que impulsaron la necesidad de simplificar las operaciones, aportar un mayor grado de automatización y mejorar la eficacia de los procesos. Actualmente, hay un montón de sensores que controlan el estado de todas las etapas, generan informes y envían datos al sistema de análisis y control de la automatización.
Los sistemas IdC/IIdC tienen muchísimas ventajas, pero, para los ingenieros electrónicos, la mayoría de los problemas están relacionados con el desarrollo de un dispositivo IdC.

 Los requisitos de un dispositivo IdC
Hay aplicaciones IdC de todo tipo, pero todas tienen el mismo conjunto básico de funciones, ya sea para diseñar un sensor de presión en un proceso industrial o para fabricar un detector de ocupación en una oficina.
Durante la fase de estudio previa al diseño de un nuevo dispositivo IdC, en la que se establecen las especificaciones técnicas principales, se deberían tener en cuenta los siguientes factores, ya que son los que determinarán el diseño y la arquitectura funcional.
Detección: los sensores se encargan de detectar lo que ocurre en el mundo exterior, desde la temperatura hasta la presión atmosférica o los movimientos de personas. Por ejemplo, una cámara puede enviar datos a una aplicación de aprendizaje automático destinada a detectar objetos a fin de confirmar si una etiqueta se ha pegado correctamente en una botella. Hay varias decisiones técnicas que dependen de lo que se vaya a detectar y de la frecuencia de la detección. También hay que tener en cuenta el coste, el tamaño y la complejidad de los sensores. Un termistor que se emplee para medir temperatura necesitará componentes adicionales para el entorno analógico y algún tipo de software para procesar los datos antes de la conversión al formato digital. Otro factor importante es el número de sensores necesarios y la frecuencia con la que se consultarán sus datos.
La conectividad: ¿Cómo va a interactuar el dispositivo IdC con el sistema de control principal? ¿Hay un sistema de comunicación inalámbrica disponible para todos los casos de uso o es preferible usar un método con cable? El tipo de sensor también determinará cuántos datos deberán transferirse y con qué frecuencia. La tecnología de malla inalámbrica puede ofrecer un enlace de comunicación más estable en una instalación grande, pero requiere que todos los dispositivos IdC funcionen de esta manera. Para la comunicación inalámbrica, una de las decisiones que hay que tomar es elegir entre crear un diseño discreto u optar por un módulo de tipo homologado.

La fuente de alimentación: ¿Qué tipo de perfil de consumo podría tener el dispositivo IdC? Algunas aplicaciones, frecuencias de comunicación y protocolos inalámbricos suponen una carga de alimentación considerable que una batería no puede soportar. En algunas instalaciones, es posible que haya una línea de suministro disponible. Una tendencia actual en los sensores IdC consiste en usar tecnologías de recolección de energía para eliminar por completo la batería: la alimentación se obtiene de fuentes de energía ambientales —como la energía solar, las vibraciones y el calor— y se emplea para cargar un supercondensador.
La interfaz de usuario: ¿Precisará el dispositivo IdC algún tipo de interacción por parte del usuario? ¿Qué ocurrirá durante la instalación y al conectarse al sistema principal si no está en funcionamiento? ¿Hace falta utilizar una pantalla o algún tipo de led de estado o indicación?
Las aplicaciones de control y análisis en la nube: En el IdC, los dispositivos siempre se conectan a un sistema de control central. El método y los protocolos de la conectividad determinarán los requisitos de software del sensor y su manera de interactuar con el sistema. ¿Es necesario que haya un enlace de datos constante para transmitir datos o se pueden enviar estos como lotes a intervalos regulares?

Consejos para seleccionar un kit de desarrollo IdC
Con los kits de desarrollo, los ingenieros de sistemas integrados disponen de una manera rápida y práctica de generar el prototipo de un diseño. En esta sección del artículo, vamos a destacar algunos de los factores que los ingenieros deben tener en cuenta al escoger el kit adecuado. Los principales proveedores de microcontroladores disponen de una amplia variedad de kits para el desarrollo y la evaluación en el IdC, así que lo mejor es informarse bien y tomar la decisión basándose en los requisitos de la aplicación de los que hemos hablado anteriormente. A continuación, encontrará una serie de características que deberá tener en cuenta al elegir un kit de desarrollo.

La fuente de alimentación:
• ¿Cómo se va a alimentar la placa? ¿Se usará una conexión USB desde un ordenador central? ¿Una batería? ¿Se puede alimentar desde la fuente de alimentación prevista? ¿Tiene un PMIC al que se pueda acceder para usar otras entradas de alimentación?
• ¿Es posible poner una sonda de corriente para medir el consumo de energía en tiempo real a fin de generar perfiles de alimentación? De ser así, ¿está todo incluido en la placa, junto con módulos adicionales, sensores, etc.?

Los sensores:
• ¿La placa dispone del tipo de sensores que va a utilizar en su aplicación?
• ¿Es posible añadir sensores adicionales, ya sea usando una conexión periférica o un formato de complemento estándar, como mikroBUS Click?
• ¿A qué interfaces periféricas se puede acceder (I2C, UART, SPI, GPIO)?
• ¿Disponen la placa o el microcontrolador de un CAD? ¿Es necesario utilizar componentes adicionales para el acondicionamiento de la señal?

La conectividad:
• ¿Qué opciones de conectividad tiene la placa (wifi, LoRa, BLE, ISM, etc.)?
• Si la conectividad no está integrada en la placa, ¿se puede añadir fácilmente? ¿Ofrece el fabricante alguna recomendación o soporte para módulos inalámbricos? ¿Hay alguna interfaz de otro proveedor (mikroBUS Click, etc.)?
• ¿Se puede actualizar el firmware de la placa de forma inalámbrica?

Los recursos de computación:
• ¿Tiene la placa el microcontrolador que desea utilizar? ¿Lo ha usado anteriormente? ¿Tiene las cadenas de herramientas de desarrollo necesarias?
• Con respecto a los recursos de computación de la placa, ¿son estos adecuados para ejecutar la aplicación IdC, los protocolos del sistema central y cualquier otra pila de protocolos de conectividad?
• Si el microcontrolador tiene un transceptor inalámbrico integrado, ¿se puede controlar el modo de espera de forma independiente a fin de ahorrar energía?
• ¿Qué características de seguridad integradas tiene el microcontrolador? ¿Son las adecuadas para su aplicación?

Los controles de usuario:
• ¿Está la placa equipada con botones para el usuario, controles deslizantes táctiles u otras opciones de hardware para el control del usuario?
• ¿Hay algún tipo de pantalla? ¿Es necesario que haya una en la aplicación final?
• ¿Se puede acceder a ledes de usuario desde su código? ¿Hay suficientes ledes disponibles? ¿Puede añadir rápidamente los que necesite en algún puerto GPIO que no se utilice?

El soporte de software:
• ¿Cuál es la cadena de herramientas recomendada para esta placa? ¿Dispone de ella?
• ¿Incluye un paquete de soporte de placa integral (BSP)?
• ¿Qué firmware, bibliotecas y controladores adicionales hacen falta? ¿Son gratuitos?
• Consulte al fabricante de la placa para saber cuáles son los requisitos de la licencia del firmware y el middleware.
• ¿Tiene la placa alguna prueba precargada para mostrar sus características? ¿Incluye la comunicación con proveedores de servicios populares, como Microsoft Azure o Amazon AWS?
• ¿Hay algún otro ejemplo de código o prueba disponible en la placa? ¿Hay un ecosistema de bibliotecas y de partners de desarrollo?

Ejemplos de placas de desarrollo IdC
Placa de desarrollo Microchip WFI32-IoT
La Microchip WFI32 (n.º de referencia EV36W50A) es una placa de desarrollo IdC independiente, integral y totalmente integrada (imagen 1).

imagen 2 muestra el diagrama de bloques de la placa WFI32-IoT, y se pueden apreciar algunos componentes de Microchip integrados.
Imagen 2: diagrama de bloques de la placa de desarrollo Micro WFI32-IoT EV36W50A (fuente: Microchip).


EV36W50A (fuente: Microchip).
La WFI32-IoT integra un módulo inalámbrico Microchip WFI32E01PC Wi-Fi 802.11 que utiliza la gama PIC de microcontroladores. Algunos de los sensores integrados son un circuito de temperatura I2C digital de Microchip y otro circuito de luz ambiental digital. Los desarrolladores pueden conectar sensores o periféricos adicionales a través de una entrada mikroBUS. El microcontrolador inalámbrico también cuenta con una antena integrada. La placa se puede alimentar mediante un ordenador central o una batería de polímero de litio. Hay un PMIC integrado para cargar la batería a través del USB en el ordenador central.

La placa viene precargada con una imagen de prueba que lee la información de los sensores integrados y envía los datos a la nube de Amazon AWS. El código de ejemplo y un completo conjunto de instrucciones están disponible en un repositorio GitHub.

Diseño de referencia para el seguimiento de activos multiconectividad STMicroelectronics STEVAL ASTRA1B
imagen 3 mustra el diseño de referencia y el kit de desarrollo

STEVAL ASTRA1B. Se ha diseñado específicamente para crear prototipos y evaluar las aplicaciones de seguimiento de activos, e integra dos módulos de conectividad inalámbricos: el STM32WB5MMG (un módulo microcontrolador BLE/ZigBee, inalámbrico, de 2,4 GHz, corta distancia y baja potencia) y el STM32WL55JC, un módulo microcontrolador inalámbrico Sub-GHz de larga distancia para la comunicación LPWAN, como LoRa.
Imagen 3: el kit de desarrollo para el seguimiento de activos STEVAL-ASTRA1B (fuente: ST).

El STEVAL ASTRA1B incluye un amplio conjunto de sensores capaces de medir multitud de parámetros ambientales y de movimiento. Un módulo GNSS ofrece datos de posicionamiento del exterior. La placa también cuenta con un elemento de seguridad STSAFE, una batería de 480 mAh y una prueba preconfigurada con un panel de control para el seguimiento de activos y una aplicación móvil.
El Silicon Labs xG24-RB4188A es un complemento de diversidad de antenas para la creación de prototipos de aplicaciones inalámbricas 2,4 GHz (imagen 4). Se conecta a la placa de inicio inalámbrica Silicon Labs BRD4001. El módulo contiene un sistema en chip Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko, un interruptor RF, una red de adaptación y dos conectores de antena SMA. La salida de RF desde el EFR32 es de +20 dBm.


Imagen 4: el módulo de diversidad de antena Silicon Labs xG24-RB4188A montado sobre una placa principal Silicon Labs Wireless Kit Pro (fuente: Silicon Labs).


Los kits de desarrollo SEMTECH LR1120
Para crear prototipos de aplicaciones LoRa LPWAN basadas en el microcontrolador inalámbrico SEMTECH LR1120, SEMTECH ofrece una gama de kits de desarrollo LR1120, como la que se ve en la imagen 5.
Imagen 5: ejemplo de kit de desarrollo SEMTECH LR1120 (fuente: SEMTECH)
Los kits están disponibles en variantes regionales de acuerdo con el espectro sub-GHz de la banda para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM).

El kit LR1120 se puede emplear en muchas aplicaciones multirregionales para la prevención de robos, la gestión de inventarios y el seguimiento de activos.
Anteriormente, hemos hablado de la posibilidad de añadir sensores o periféricos adicionales a una placa de desarrollo. Como ya se ha explicado, la placa de Microchip cuenta con un conector mikroBUS. Este conector, desarrollado por Mikroe, se ha convertido rápidamente en un estándar de la industria, y muchos distribuidores de semiconductores lo han incorporado a sus placas de evaluación y desarrollo. La entrada mikroBUS dispone de conectividad serie de SPI, UART e I2C, así como de señales de alimentación, analógicas y PWM, y todo ello, en un conector de formato compacto. Mikroe ha desarrollado cientos de placas Click que emplean este factor de formato tan práctico.
Un ejemplo de ello es la Mikroe Ultra-Low Press Click, diseñada para hacer mediciones neumáticas de baja presión, que cuenta con un sensor de presión SM8436 de TE Connectivity que se comunica con la interfaz I2C (imagen 6).


Imagen 6: la placa Mikroe Ultra-Low Press Click (fuente: Mikroe)

Los kits de desarrollo IdC facilitan el progreso
Gracias a las placas de desarrollo, es mucho más fácil crear prototipos para aplicaciones IdC. En este breve artículo, hemos planteado algunas preguntas que los ingenieros de sistemas integrados deben hacerse a la hora de seleccionar una placa de desarrollo adecuada. De todos modos, los factores de los que hemos hablado no son los únicos que debemos valorar. La aplicación en cuestión tendrá exigencias y requisitos que también deberán tenerse en cuenta.

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