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El desafío para los diseñadores de sistemas IoT o embebidos es la integración de conectividad inalámbrica en el producto

Los módulos inalámbricos muestran el camino en conectividad IoT

Martin Keenan, director técnico de Avnet Abacus

11/01/2019
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Si existe una característica de hardware que prácticamente todos los sistemas embebidos tienen que incorporar es algún tipo de conectividad de red. Para muchos dispositivos, la conectividad inalámbrica es la opción más inteligente. En enfoque wireless también hace que la instalación sea más fácil, particularmente con la llegada de las redes malladas (mesh) que ahora forman parte del estándar Bluetooth 5.

Las redes inalámbricas como LoRaWAN posibilitan el acceso a dispositivos ubicados a kilómetros de modo muy económico. Diseñada para transportar pequeños paquetes de datos con ratios de hasta 50 kb/s, LoRaWAN requiere muy poca potencia del propio dispositivo embebido. Esto resulta ideal en nodos de sensor, rastreo de bienes y mercancías y metering y evita la complejidad de usar módulos de identidad de abonado (SIM) que son necesarios en conectividad móvil y suponen la otra opción principal en redes inalámbricas de área amplia.

Para redes inalámbricas de corta distancia, WiFi sigue siendo una opción muy efectiva, especialmente para aquellos sistemas que requieren soporte de elevado ancho de banda, como los de videovigilancia.

El desafío para los diseñadores de sistemas IoT o embebidos es la integración de conectividad inalámbrica en el producto. Los diferentes mercados pueden exigir el uso de determinados protocolos inalámbricos. Por ejemplo, en el entorno WAN, las consideraciones comerciales pueden forzar la utilización de un teléfono móvil sobre LoRaWAN o viceversa. Los clientes pueden demandar la opción de emplear Bluetooth o WiFi dependiendo de la localización de cada dispositivo y la disponibilidad de hubs y routers locales. Responder a las necesidades con una solución a medida complica todavía más lo que ya puede ser una parte dificultosa del proceso de diseño.

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Los diferentes mercados pueden exigir el uso de determinados protocolos inalámbricos.

Sin embargo, cada interfaz inalámbrico añade complejidad si el diseño se realiza desde cero. Uno de los aspectos esenciales en el diseño RF se encuentra en la interacción entre los componentes en la raíz de la señal, desde el propio path de la señal a la interfaz de banda base. Los pequeños cambios en la distribución del PCB y la pila pueden modificar drásticamente el rendimiento en RF. El diseñador también se enfrenta a los problemas de crear un firmware fiable para el que, en el caso de estándares como Bluetooth y WiFi, hay pilas de protocolo complejas.

Incluso cuando el diseño ha concluido, el equipo tiene que efectuar un test de prestaciones para demostrar la compatibilidad con estándares locales. Otra interfaz inalámbrica a tener en cuenta es la Comunicación de Campo Cercano (Near Field Communication – NFC), que facilita la provisión y la configuración de módulos por parte de los instaladores. Tras incorporar un dispositivo autorizado al nuevo módulo, se pueden descargar e instalar las credenciales, por lo que la unidad se puede establecer en la red core.

La complejidad del diseño inalámbrico hace que la opción de usar módulos preparados y pre testados sea más atractiva. Un módulo wireless es mucho más que un simple conjunto de componentes montados. Se trata de una inversión en la competencia de un equipo de especialistas y su capacidad de crear un diseño que trabaje en múltiples entornos.

Otro aspecto decisivo en el diseño de un módulo inalámbrico efectivo es la posibilidad de aislar las interacciones entre la antena, el encapsulado y los componentes front-end en el propio módulo. Para una mayor extensión, todo lo que se requiere para incorporar el módulo en un sistema embebido es seguir las pautas de integración.

Esto se traduce en una reducción considerable en las iteraciones de diseño. Además, la mayoría de los módulos inalámbricos ya han sido testados y certificados por el propio fabricante para cumplir con los estándares RF regionales. La consecuencia es lograr productos con un menor tiempo de llegada al mercado: algo vital en la rápida evolución del IoT. Esto permite que los diseñadores de dispositivos se centren en el valor añadido que ofrecen.

Comparación de módulos vs. soluciones discretas
  Módulo Discreto/on-board Beneficio del módulo
Diseño RF Competencia core e inversión única del fabricante del módulo Experiencia requerida para distribución, ruta de señal, apilado de capa, interferencia y apantallado Menores requisitos del equipo RF. Menores iteraciones de diseño de placa
Tamaño Tamaño optimizado La ausencia de módulo requerirá más espacio en la PCB Ahorro de espacio de placa
Compra Un componente La ausencia de módulo incrementará la gestión de BOM Reducción de los costes operativos
Montaje

Un componente

Toda la BOM Disminución de los cotes de producción
Test Módulo totalmente testado Producto final testado individualmente Reducción de los costes de test y garantía de calidad
Calidad El módulo es testado por equipos de especialistas RF Se requiere experiencias RF y test para cubrir el subsistema de conectividad Reducción de los costes de test y garantía de calidad
Pérdida de rendimiento Módulos preyielded Pérdidas de producción. Análisis de fallo y cotes de revisión Minimización de los costes de producción

 

Resulta tentador pensar que un diseño discreto ahorra costes. Después de todo, contar con todos los componentes montados en una sola PCB reduce el número de materiales. Y el equipo de diseño puede optimizar las combinaciones de componentes para las aplicaciones específicas. No necesitan tener en cuenta el potencial para una amplia variedad de usos.

Pero el ahorro de coste teórico no suele transformarse en realidad. El fabricante del módulo se beneficia de la capacidad de adaptación de producción, lo que contribuye a disminuir el precio. Y es fácil olvidarse del impacto de los costes de ingeniería no recurrentes, particularmente si el equipo de diseño demanda servicios de externalización para terminar el proyecto. Un buen equipo de especialistas, como el dedicado a compartir y sintonizar la antena, puede ayudar a ahorrar miles de euros: una cantidad significativa en soluciones que no esperan su envío masivo.

El módulo también permite mantener un ciclo de vida de producto más largo con menor necesidad de monitorización de componentes por la obsolescencia. El fabricante suele comprometerse en garantizar la compatibilidad de sus productos. Si un componente RF particular se vuelve obsoleto, el propio proveedor usará otras opciones que se encuentren disponibles en el mercado y las integrará sin cambiar el formato del módulo. A menudo, la utilización de este tipo de módulos posibilitará la actualización de características como el alcance o como el consumo de energía sin efectuar cambios en el diseño del núcleo. Y, si los requisitos demandan la adopción de un nuevo estándar inalámbrico con el mismo formato, esto será posible fácilmente. Ante la necesidad de cualquier interfaz inalámbrica, la opción del módulo se convertirá en la alternativa más sensata.

Si usted está desarrollando una red inalámbrica de corto o largo alcance, en Avnet Abacus disponemos de una amplia gama de recursos para respaldar su diseño, con módulos wireless de compañías líderes como Alps, Fujitsu, Murata, Panasonic o Taiyo Yuden. Examínelos o, en su defecto, póngase en contacto con nosotros en el apartado 'Consulte con el Experto - Ask an Expert' para tratar sus requisitos con un especialista técnico que le ayudará a hacer su producto más rentable.

Cada interfaz inalámbrico añade complejidad si el diseño se realiza desde cero. Uno de los aspectos esenciales en el diseño RF se encuentra en la interacción entre los componentes en la raíz de la señal, desde el propio path de la señal a la interfaz de banda base. Los pequeños cambios en la distribución del PCB y la pila pueden modificar drásticamente el rendimiento en RF

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