Desafíos de diseño IoT empresarial para diseñadores de PCB en 2020

IoT empresarial se convirtió en una de las palabras de moda en el sector tecnológico en 2019, con muchos analistas que prometían mejoras en la eficiencia y rentabilidad simplemente conectando todo en la oficina. A medida que pasa el tiempo, los problemas reales que pueden resolverse conectando activos de empresa comienzan a aclararse, y es posible identificar oportunidades prácticas de cara a la innovación y a la resolución de problemas. Diría que estamos comenzando a alejarnos del planteamiento de IoT empresarial de los años 90 y estamos entrando en una década en la que pueden comercializarse extensamente aplicaciones útiles.

Las ideas para la implementación de IoT empresarial a veces ignoran desafíos de hardware, así como la viabilidad económica, prometiendo beneficios al mundo e ignorando los costes. En el campo del software, algunas de las empresas más grandes están ocupadas desarrollando la arquitectura necesaria para hacer realidad estas aplicaciones y que permita, en definitiva, a los desarrolladores de hardware embebido crear productos innovadores para un entorno de IoT empresarial. Examinemos algunas oportunidades importantes en esta área y analicemos los desafíos de hardware.

Tres desafíos de diseño para IoT empresarial

Al hablar de diseño IoT empresarial, la lista de ideas en el terreno de las aplicaciones es larga, pero todas presentan una serie de problemas comunes en cuanto respecta al diseño de PCB para dispositivos IoT de empresa. Los diseñadores deberán afrontar desafíos en una o más de las siguientes áreas:

Múltiples protocolos inalámbricos

A menos que tu plan sea conectar todos los activos de la empresa mediante un cable de par trenzado, tendrás que elegir un protocolo inalámbrico para la comunicación. ¿Y cuál es el mejor para los dispositivos IoT de empresa? Esta no es una pregunta fácil de contestar, especialmente dado que hay más de una docena de protocolos inalámbricos para uso en redes. Todo el mundo conoce Bluetooth y WiFi, pero hay una lista enorme de otros protocolos inalámbricos que varían en alcance, velocidad de datos, frecuencia y aplicación prevista. Para las aplicaciones empresariales, se prefieren los protocolos que operan en bandas de frecuencia con licencia, a fin de evitar interferencias.

Lo más probable es que necesites múltiples protocolos inalámbricos para proporcionar diferentes opciones de comunicación y configuración. Las aplicaciones de corto alcance y con velocidad de datos moderada, como Bluetooth, probablemente tendrán que aparecer junto con aplicaciones de alcance mayor y velocidad de datos más baja, como LoRaWAN. Ahora que las empresas de telecomunicaciones se están involucrando en el mercado de IoT empresarial, los protocolos de IoT móvil (NB-IoT y LTE-M) son una opción útil para la transmisión de pequeños fragmentos de datos a mayor distancia. Si buscas más información sobre los protocolos de IoT que pueden utilizarse en un entorno empresarial, lee este artículo.

La pequeña placa ESP8266 de Espressif es una herramienta para prototipado de diseños de IoT empresarial

Los diseñadores de PCB deben estar preparados para acomodar múltiples frecuencias inalámbricas en sus placas junto con componentes digitales para el procesamiento de datos. Los fabricantes de smartphones han resuelto muchos problemas de diseño y espacio integrando todo en una variedad de módulos SoC/SiP, pero es posible que los diseñadores de placas personalizadas no puedan permitirse ese lujo. Presta atención a las mejores prácticas para aislar bloques de circuitos de RF de componentes digitales, planificar rutas de retorno y diseñar un apilado para acomodar estos aspectos del diseño de señales mixtas.

Diseño de bajo consumo para dispositivos móviles

Del mismo modo que la mayoría de las aplicaciones de IoT empresarial no se comunicarán a través de cobre, probablemente tampoco recibirán alimentación a través de cobre. Los diseñadores para IoT empresarial deben reducir al mínimo el uso de energía en dispositivos móviles optando por componentes de menor consumo y eliminando funciones innecesarias. Para extender la vida útil, pueden considerar agregar algunas funciones de cosechamiento de energía (termoeléctrica, RF, piezoeléctrica u otros métodos) a un dispositivo.

Procesamiento de datos en el edge frente a procesamiento de datos en la nube

Esta es una decisión importante que determinará el nivel de potencia de procesamiento embebida y la memoria que se debe incluir en el dispositivo. Si el dispositivo simplemente está recopilando datos de sensores y cargándolos en una estación base, no necesitarás mucho más que un microcontrolador o un pequeño FPGA. Si el dispositivo necesita procesar predicciones o clasificaciones en campo y en tiempo real, entonces necesitas incluir una potencia de procesamiento considerable en el dispositivo embebido. Además, deberás escalar la memoria según la cantidad de datos que se vayan a almacenar o procesar. Las aplicaciones con imágenes y video de alta resolución requieren mucha más memoria que los datos del sensor.

Esta aplicación de IoT empresarial para segmentación de imágenes y seguimiento de transmisiones de video requiere una gran potencia de procesamiento y memoria integrada

Esto realmente va en contra del punto anterior, ya que este tipo de algoritmos de aprendizaje automático/IA consumen una gran cantidad de energía en el hardware actual. Sin embargo, startups de CI están presentando nuevos ASIC y SoC que pueden dedicarse específicamente a tareas computacionales de IA de baja potencia que consumen menos energía. Una vez que se comercialicen estos nuevos dispositivos, los diseñadores tendrán más herramientas capaces de proporcionar funciones de IA dedicadas directamente en sus dispositivos, en lugar de depender de la nube para estas tareas de cálculo pesadas.

Uniformidad de formatos de datos en el diseño de IoT empresarial

Si trabajas con un protocolo TCP/UDP estándar, los formatos de los paquetes ya están definidos de forma rígida y los formatos de datos están integrados en las imágenes embebidas del sistema operativo. Dependiendo de la aplicación, es posible que tengas que imponer un nuevo formato de datos unificado. En áreas como IoT industrial, los estándares IPC-CFX exigen un formato de datos uniforme para la comunicación entre máquinas en planta (ese estándar puede aplicarse, sin duda, en cualquier lugar). Este estándar concreto es adaptable en múltiples protocolos, lo que lo convierte en una estructura de mensajería más que en un nuevo estándar inalámbrico.

Oportunidades de IoT empresarial para desarrollado embebido

La implementación de una visión de IoT empresarial gira en torno tanto del software como del hardware. Todos los dispositivos IoT son sistemas embebidos con diferentes niveles de complejidad. Cualquiera de las áreas de aplicación presentadas anteriormente requerirá cierto nivel de ingeniería de software, tanto dentro como fuera de un nuevo dispositivo.

Áreas de aplicación como IA para experiencia del cliente, seguimiento de activos y análisis predictivo han observado un grado de innovación considerable dentro de la comunidad de desarrolladores de software de código abierto. Ejemplos de aplicaciones y código personalizados ya abundan para toda una serie aplicaciones de escritorio, web y de nube. Si alguna de estas aplicaciones se va a trasladar al edge en un entorno de IoT empresarial, el código de estas aplicaciones deberá adaptarse para que se ejecute en dispositivos embebidos. Los servicios de soporte que se ejecutan en una red privada, en una nube empresarial privada o en una nube pública también deberán adaptarse para recibir y procesar datos de dispositivos embebidos.

Flujos de datos en una arquitectura de IoT empresarial

Los desarrolladores de API desempeñarán un papel decisivo para hacer realidad esta interfaz entre dispositivos periféricos, la red empresarial y los colaboradores externos. Al igual que con los activos de fabricación conectados en un entorno de IoT industrial, procesar todo a través de solicitudes HTTP con datos JSON proporciona un marco excelente para conectar rápidamente dispositivos periféricos personalizados con redes empresariales. Todos los desarrolladores de software que conozco tienen experiencia en el trabajo con estructuras de datos JSON. Este tipo de estandarización permitirá que todos, desde desarrolladores experimentados hasta nuevos empresarios, participen en el desarrollo de IoT empresarial.

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