MCUs inalámbricos Sub-GHz y componentes para IoT

Creado: Noviembre 15, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

En los últimos años, el uso de dispositivos IoT ha crecido masivamente, con mucho de ello ocurriendo en segundo plano en áreas como la producción industrial, infraestructura, automatización del hogar, medidores inteligentes y electrónica wearable. En el espacio del consumidor, los dispositivos IoT se conectan principalmente a redes internas de corto alcance, normalmente a través de WiFi o Bluetooth. Hoy en día, más dispositivos están integrándose a largas distancias con protocolos de baja frecuencia o adoptando un enfoque híbrido con protocolos de alta y baja frecuencia en el mismo dispositivo. Integrarlo todo implica la fusión de múltiples protocolos inalámbricos junto con el procesamiento digital y una aplicación embebida.

¿Por qué ha habido un enfoque continuo en la inalámbrica sub-GHz en estos sistemas, especialmente cuando ya tenemos muchos protocolos útiles como Bluetooth, WiFi, celular y otras opciones de banda ISM de 2.4 GHz? La inalámbrica sub-GHz tiene sus ventajas, y hay mucho más soporte de los proveedores de servicios IoT para estos productos. Todo esto significa que es mucho más fácil construir una arquitectura de red privada y conectarla a tus servicios en la nube a través de una estación base, o acceder a servicios en la nube a través de un operador inalámbrico existente. En los EE. UU., las principales telecomunicaciones ahora ofrecen servicios IoT a través de sus redes, y puedes configurar tu propia plataforma de servicio en la nube que se conecta con tu hardware IoT utilizando los principales proveedores de servicios en la nube.

Al final del día, si no puedes incorporar un protocolo sub-GHz en tu placa, entonces no puedes usarlo para aprovechar la comunicación inalámbrica de largo alcance y bajo consumo y los servicios que estos protocolos habilitan. En este artículo, veremos algunas de las consideraciones principales en conectividad inalámbrica de bajo consumo y largo alcance dentro de la banda sub-GHz ampliamente reconocida.

Seleccionando una Opción Inalámbrica Sub-GHz

Construir productos IoT con conectividad inalámbrica sub-GHz requiere seleccionar un chipset que pueda soportar estas frecuencias y que implemente el protocolo inalámbrico deseado para tu red IoT. Los primeros MCUs utilizados en dispositivos IoT no incluían estas características, en su lugar requerían un módulo dedicado o requerían emulación en la aplicación del dispositivo. Hoy en día, hay varios chipsets y MCUs completamente integrados que soportan múltiples protocolos sub-GHz. Algunos de estos productos también soportarán una banda ISM de mayor frecuencia en el rango de 2.4 GHz, y posiblemente WiFi hasta 5 GHz. Puedes leer más sobre los conceptos básicos de la selección de protocolos IoT aquí.

La mezcla de varios estándares y protocolos determinará qué frecuencias estarán disponibles en tu diseño, lo cual será un conductor principal del consumo de energía. Al elegir un protocolo de red cableada o inalámbrica, la tasa de datos suele ser la consideración principal. En la inalámbrica sub-GHz, las principales ventajas son el bajo consumo de energía de estos protocolos y el largo alcance disponible en estas frecuencias. Por lo tanto, hacer coincidir los requisitos de vida útil del dispositivo y el alcance de la comunicación con la aplicación suelen ser más importantes para los dispositivos finales en la red.

Equilibrando Alcance y Energía

TRANSLATE:

Los protocolos de alta frecuencia y baja frecuencia difieren en dos aspectos principales que determinan sus áreas de aplicación ideales: la atenuación y el consumo de energía. Las frecuencias más bajas generalmente corresponden a un menor consumo de energía y un mayor alcance, por lo que los protocolos sub-GHz son ideales para estas aplicaciones IoT. La transmisión de baja frecuencia también tiene menos problemas con obstáculos como colinas, edificios, etc., por lo que esta capacidad de largo alcance elimina la necesidad de sitios repetidores y estaciones base. Contrasta esto con la próxima ola de implementaciones de 5G, donde será necesario implementar mini estaciones base para la entrega de servicio a los usuarios finales.

Una forma sencilla de comenzar a estimar los requisitos de energía en un transmisor para una distancia y frecuencia de transmisión dadas (realmente la longitud de onda) es usar la fórmula de pérdida de trayectoria de Friis. Esta fórmula ilustra el compromiso entre la frecuencia de transmisión (o más bien la longitud de onda) y el alcance:

Donde:

Pr = Potencia recibida
Pt = Potencia transmitida
Dt = Directividad del transmisor
Dr = Directividad del receptor
d = Distancia entre las antenas del transmisor y receptor
λ = Longitud de onda de transmisión

De hecho, si conoces la sensibilidad del receptor (especificada en dBm), entonces puedes determinar la potencia del transmisor requerida para una longitud de onda dada y una distancia de transmisión en línea de vista. En general, duplicar el alcance de transmisión requiere aumentar el presupuesto de energía para tu enlace inalámbrico en 6 dB. Además, podemos ver que duplicar la frecuencia reduce la potencia recibida en 6 dB. Cabe destacar que estos son factores idealizados que dependen de la transmisión en línea de vista entre dos antenas. Un dispositivo desplegado en un escenario real experimentará pérdidas por absorción, propagación multipath y reflexiones, e incluso el clima. Por lo tanto, asegúrate de considerar un margen de seguridad realista para tu sistema para tener en cuenta la posibilidad de un alcance limitado.

Especificaciones Importantes para Chipsets Sub-GHz

Mientras que el alcance y la frecuencia de transmisión son las consideraciones principales al diseñar dispositivos IoT sub-GHz, hay algunas otras especificaciones que se deben considerar en estos diseños.

Consumo de Energía

Los productos inalámbricos sub-GHz (y cualquier otro producto inalámbrico) no tendrán una especificación de alcance específica, o si la tienen, solo será una estimación. Tendrán un valor de salida de potencia para una corriente dada especificado como un valor EIRP (potencia radiada isotrópicamente equivalente, en unidades de dBm). Una antena con directividad/ganancia mayor que 1 puede usarse para la transferencia dirigida y podría usarse para reducir el consumo de energía requerido para transmitir datos. El consumo total de energía del sistema se puede reducir aún más utilizando un sistema con corriente de espera baja, modos de bajo consumo y temporizadores de despertar. Dados todos estos factores, el consumo de energía puede minimizarse y los dispositivos pueden diseñarse para tener una vida útil total de más de 10 años con una batería de moneda.

Sensibilidad del Receptor

Como se mencionó anteriormente, la sensibilidad del receptor y la frecuencia de transmisión determinarán el alcance del sistema. Los canales con anchos de banda mayores requerirán un receptor más sensible, lo que podría limitar el alcance en tu enlace sub-GHz. Compensar esto puede requerir aumentar la potencia de transmisión, limitar el alcance, usar una tasa de datos más baja, o posiblemente cambiar a un protocolo diferente para tu aplicación. La ganancia/directividad de la antena también juega un papel aquí y puede compensar la menor sensibilidad proporcionando transmisión direccional entre dispositivos en la red.

Consideraciones de Modulación y Coexistencia

Así como ciertas partes de los protocolos de banda ISM pueden experimentar desafíos de coexistencia, las bandas sub-GHz pueden experimentar interferencias entre canales. Los protocolos sub-GHz típicamente usan esquemas de modulación de llaveo (FSK, ASK, OOK, etc.). En algunos casos, se utilizan mecanismos de espectro ensanchado para aumentar el ancho de banda del canal, ya sea codificando datos en una tasa de bits más alta o con un esquema como el espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS). A continuación, se muestra un ejemplo de cómo el aumento de la tasa de datos se utiliza para aumentar el ancho de banda para una potencia de transmisión promedio dada.

Concepto de transmisión de espectro ensanchado. Al esparcir los datos transmitidos (azul) en una codificación de mayor tasa de bits (rojo), el receptor puede resistir posibles fuentes de interferencia.

(Texto alternativo: Transmisión de espectro ensanchado)

Las señales de espectro ensanchado son menos propensas a interferencias, pero los circuitos transmisores y receptores en los dispositivos finales necesitan tener un ancho de banda mayor para acomodar esta dispersión de potencia a través del ancho de banda del canal. La implementación de FHSS requerirá pruebas adicionales para asegurar el cumplimiento de EMC y necesitará dispositivos compatibles con suficiente sensibilidad en el receptor en cada extremo. En algunos dispositivos, un módulo transceptor dedicado puede ser la mejor opción para proporcionar suficiente sensibilidad para recibir señales de espectro ensanchado.

Opciones de Radio y Transceptor Sub GHz

En resumen, hay dos formas básicas en las que puedes integrar radios sub-GHz en un nuevo producto y llevarlo a una red IoT de largo alcance:

Usar un procesador que incluya capacidades inalámbricas sub-GHz integradas en el chip
Usar un transceptor sub-GHz externo que sea compatible con el controlador anfitrión de tu sistema
Agregar un módulo inalámbrico que contenga todos los periféricos requeridos y

Dependiendo de lo que tu sistema necesite hacer, cualquiera de las opciones es viable ya que hay muchos componentes que caen en ambas categorías. Las primeras dos opciones requerirán un poco más de esfuerzo si nunca has diseñado cosas como filtros, líneas de alimentación, antenas o dispositivos RF en general. Sin embargo, hay líneas de productos altamente integradas de múltiples proveedores que soportan múltiples bandas sub-GHz; algunas excelentes opciones se muestran a continuación.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

El módulo inalámbrico sub-GHz ATSAMR30M18A-I de Microchip funciona como un MCU que incluye una radio compatible con IEEE 802.15.4 con una antena integrada. Este módulo SMD con terminales castellados incluye un MCU ARM Cortex-M0+ con 256 KB de memoria Flash integrada, así como un transceptor integrado para la banda ISM de 700/800/900MHz. Como un SiP fácil de usar, también incluye algunas de las características estándar que los usuarios esperan en los MCUs, como un ADC de 12 bits y 350 ksps, I2C que opera hasta 3.4 MHz, una interfaz USB 2.0 y 16 GPIOs. Requiere una antena externa; la tabla a continuación incluye una lista de antenas aprobadas, aunque se podrían usar otras antenas si tienen especificaciones similares y pasan las pruebas.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

El OL2385AHN de NXP Semiconductor es un transceptor RF inalámbrico multibanda con un núcleo MCU integrado que soporta múltiples bandas sub-1 GHz (de 160 a 960 MHz). Este dispositivo es un transceptor altamente integrado con cuatro rangos de frecuencia seleccionables que soporta múltiples esquemas de modulación (400 kbps/200 kbps FSK, ASK y OOK). En la placa, un controlador anfitrión puede interfazarse con este dispositivo a través de protocolo SPI, UART o UART compatible con LIN. Algunas de las principales áreas de aplicación dirigidas con este componente incluyen LPWAN para productos de infraestructura inteligente, tecnologías para el hogar inteligente, comunicación M2M y redes de sensores.

Diagrama de bloques del transmisor de radio NXP OL2385AHN. [Fuente: (Diseño sub-GHz)

Texas Instruments, MCUs inalámbricos SimpleLink (CC13xx y CC430F51xx)

La línea SimpleLink de MCUs inalámbricos de Texas Instruments es una de mis favoritas personales para desarrollar nuevos productos IoT que operan en bandas sub-1 GHz. Algunos de los componentes de esta línea de productos también soportan múltiples bandas ISM, WiFi, Bluetooth y otros entre 1 y 2 GHz. Esta línea de productos incluye algunos MCUs que están calificados para productos automotrices. Los diversos productos en SimpleLink soportan estos protocolos sub-1 GHz:

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (modo T, S, C, N)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Si estás utilizando otros productos en la cartera de TI, encontrarás fácil desarrollar una aplicación con el soporte del SDK de TI para estos productos y dispositivos periféricos para tu plataforma IoT. Estos MCUs también se interfazan con cualquier otro ASIC periférico a través de interfaces digitales estándar, brindando a los diseñadores mucha flexibilidad para construir nuevas plataformas IoT.

El Futuro de IoT Sub GHz

Todo el mundo sigue centrándose en WiFi, Bluetooth y 5G simplemente porque son muy ubicuos en el espacio del consumidor, pero el sub-1 GHz no va a desaparecer y continuará siendo la columna vertebral de bajo consumo para las redes IoT. Las capacidades de largo alcance, el bajo consumo de energía y la facilidad de implementación son demasiado buenas para dejarlas pasar, y no tiene sentido contribuir a una mayor congestión de ISM o celular en aplicaciones persistentes de baja tasa de datos. Algunos de los componentes que los diseñadores de sistemas necesitan en muchas aplicaciones sub-1 GHz caen en las siguientes categorías:

Si estás desarrollando una solución personalizada que puede soportar una gama de frecuencias o protocolos posibles, como la radio definida por software, necesitarás algunos componentes adicionales para construir tu frente de RF:

Cuando necesites encontrar componentes para tu próximo diseño de sistema inalámbrico sub-1 GHz, utiliza las funciones avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Cuando uses el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos de precios de distribuidores actualizados, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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