Usando módulos celulares para dispositivos y diseño de Internet de las Cosas

A medida que nuestro mundo se vuelve cada vez más conectado e impulsado por datos, la demanda de muchos dispositivos ha pasado de la entrega o recolección de datos intermitente a la notificación inmediata a servicios en la nube. Esto puede presentar algunos desafíos serios una vez que los dispositivos superan la red WiFi de su cliente, como sensores en campos agrícolas o en movimiento. El costo de desplegar una red inalámbrica de cualquier tipo a través de un gran sitio industrial o una granja puede ser prohibitivo sin considerar los costos de mantenimiento y soporte. En muchas situaciones, puede que ni siquiera sea una opción desplegar una red inalámbrica, como cuando se trabaja con equipos de construcción o vehículos de entrega.

En uno de mis proyectos recientes, diseñamos un sistema de seguimiento/monitoreo GPS conectado por LTE que podría usarse como un rastreador de activos o dispositivo de recolección de datos para mantenimiento preventivo. Se espera que los productos de internet de las cosas celulares, como el proyecto de rastreador de activos, solo aumenten en popularidad a medida que más dispositivos se vuelvan más inteligentes y generen más datos que nunca. Si quieres agregar comunicación celular a tu próximo producto móvil, esto es lo que necesitas saber sobre las redes celulares y cómo se interfazan con dispositivos móviles/incrustados.

¿Qué es el IoT Celular?

Si alguna vez te has preguntado cómo incluir capacidades celulares en tus productos IoT, he compilado la guía definitiva que necesitarás para mantenerte a la vanguardia. Esto es lo que abordaré en esta guía:

1. Servicios de Internet de las Cosas Celulares
2. Tarjetas SIM
3. Módulos Celulares
4. Bandas/Protocolos Celulares
5. Operadores IoT/M2M
6. ¿Es un Módem Celular Adecuado para Ti?

Servicios de Internet de las Cosas Celulares

Las redes celulares existen en gran parte de las masas terrestres del mundo y proporcionan fácilmente la mejor y más accesible red terrestre para enviar tus datos a la nube dondequiera que vaya tu dispositivo. Gracias a las bandas y protocolos estandarizados, podemos suministrar un dispositivo a Nueva York, EE. UU., York, Reino Unido, o incluso York en Australia con un módem celular y saber que podrá conectarse a nuestros servicios sin requerir ninguna infraestructura nueva.

Aunque el concepto de dispositivos de "Internet de las Cosas" es relativamente nuevo, el uso de redes celulares para comunicaciones entre máquinas no es un concepto nuevo. Si estás pensando en usar celular para tu dispositivo, podrías estar pensando en el costo de estar atado a un plan telefónico o un contrato similar solo para usar una pequeña cantidad de datos. ¡Afortunadamente, no necesitas preocuparte por esto! Donde tienes proveedores de telefonía para tu teléfono móvil, tienes proveedores de Machine to Machine (M2M) para dispositivos.

Los proveedores M2M tienen varias ventajas importantes sobre un proveedor de red celular típico:

• Tienden a permitir el acceso a cientos de redes en todo el mundo, en lugar de solo a su propia red.
• Por lo general, son solo de datos o datos + SMS, así que no pagas por capacidades de voz y video costosas.
• Normalmente no necesitas un plan o suscripción, y funcionan con sistema de pago por uso/prepago con larga vigencia en los créditos.

Todos los principales proveedores de conectividad IoT, como Hologram o Truphone, ya están proporcionando cobertura global o están en proceso de extender sus redes a nivel mundial. Esto lo logran negociando con los operadores locales en tu nombre y aprovechando los volúmenes de datos acumulados de sus clientes. Esto significa que puedes comprar solo unos pocos megabytes de datos a muy bajo costo, y estos podrían tener un tiempo de expiración de seis meses o un año, lo cual es perfecto para recopilar datos de sensores de manera intermitente. Supongamos que tienes un gran número de dispositivos desplegados. En ese caso, un proveedor M2M a menudo te permitirá gestionar todas tus tarjetas SIM de manera centralizada y tener una asignación de datos por cuenta en lugar de por dispositivo, lo que puede reducir aún más los costos y las cargas administrativas.

Además de la gestión centralizada, muchos proveedores también ofrecen una API para gestionar fácilmente las SIMs. Esto te permite proporcionar fácilmente información y datos a tus clientes a través de tu propio portal. Las reglas de automatización con la mayoría de los proveedores te permiten ser notificado automáticamente de cualquier problema con tus dispositivos, lo que te permite ser proactivo en lugar de esperar a que tus clientes comiencen a preguntar por qué sus datos ya no se están recopilando.

Para las pruebas, algunos proveedores de telefonía móvil regulares como Three (al menos en algunos países) te permiten tener una tarjeta SIM sin contrato que puedes activar y obtener una cantidad relativamente grande de datos mensuales, al menos para aplicaciones IoT, gratis cada mes - típicamente alrededor de 200 MB. Para un usuario con un teléfono o tableta, esto podría permitirte cargar Facebook una vez cada pocos días durante el mes, pero para un nodo IoT enviando datos de texto comprimido, esto podría permitir el envío de miles de lecturas de sensores cada día sin costo alguno.

Tarjetas SIM

Por lo general, las tarjetas SIM de un proveedor regular no vienen con una hoja de datos técnicos; ni hablar de un rango de temperatura de servicio especificado o cualquier calificación industrial/automotriz. Con las tarjetas SIM M2M, puedes obtener tarjetas con rango de temperatura extendido que ofrecen una vida útil calificada de 10 años. Estas calificaciones pueden ser críticas para el éxito de tu dispositivo. Si tu dispositivo está en un taladro petrolífero remoto o en una granja rural, el costo de tener que visitar el sitio un técnico o ingeniero podría ser increíblemente caro, solo para reemplazar una tarjeta SIM que cuesta unos pocos dólares.

Asimismo, es posible que no se espere que las tarjetas SIM de grado consumidor tengan una vida útil más allá del contrato de 24 meses del teléfono. Si su producto va a estar monitoreando un equipo en un ambiente hostil, podría estar allí durante una década sin necesidad de mantenimiento, siempre y cuando se suministre energía. Emparejado con un zócalo de tarjeta SIM de alta calidad como los de Würth, Molex y otros, puede estar seguro de que su producto no perderá conectividad si la tarjeta SIM falla en su dispositivo de Internet de las cosas celular.

Tarjeta SIM integrada (eSIM)

Alternativamente, el uso de un módulo de módem celular integrado como una tarjeta SIM (eSIM) ahorra un espacio significativo en la placa. Mientras que una tarjeta SIM solo se puede leer, una eSIM es regrabable y, lo que es mejor, se puede montar en superficie como cualquier otro componente en su placa. Vale la pena mencionar que el soporte para eSIM no está tan ampliamente disponible como para una tarjeta SIM regular. Sin embargo, la mayoría de las grandes redes en el mundo desarrollado las soportarán. Además de ahorrar espacio en la placa, también podría estar mirando un ahorro de costos significativo al adoptar una eSIM para productos de Internet de las cosas celulares. El costo de un chip eSIM es típicamente más bajo que una tarjeta SIM más el zócalo y ahorra considerablemente en la mano de obra de insertar manualmente una tarjeta SIM en un zócalo. La eSIM podría ser programada automáticamente durante el proceso de quemado y prueba del ensamblaje de su dispositivo.

Criptografía

Hay algunos beneficios emocionantes de agregar una SIM a sus productos que pueden estar ocultos. La historia de las tarjetas SIM está profundamente entrelazada con las tarjetas inteligentes, y numerosos microcontroladores orientados a SIM tienen un amplio soporte criptográfico.

Por estas razones, algunos proveedores de Internet de las cosas (IoT) celulares como Hologram han añadido gestión integrada de certificados, una cadena de confianza, tokens de un solo uso y otras características de seguridad avanzadas en sus tarjetas SIM. Gestionar certificados no es una tarea fácil: el tema es extremadamente complicado, y pequeños errores pueden tener un impacto duradero en tu negocio. Incluso entonces, las bibliotecas criptográficas útiles son difíciles de encontrar para microcontroladores más pequeños. Las SIM de IoT pueden ser el primer paso hacia comunicaciones más robustas y seguras para tus dispositivos.

Módulos Celulares IoT

Con las complejidades de la certificación de operadores celulares además de las leyes de cumplimiento electromagnético de radiadores intencionales y toda la programación que conlleva construir un módulo celular, casi seguramente querrás usar un módulo celular. Donde un módulo de radio pre-certificado típico es más barato de implementar hasta alrededor de 10,000 unidades en comparación con hacer el diseño y la certificación por ti mismo, un módulo celular probablemente sea más económico que un enfoque hazlo-tú-mismo para bien más de 100,000 unidades fabricadas. Afortunadamente, hay algunas opciones modernas y fantásticas disponibles.

Históricamente, los módulos celulares han sido voluminosos, consumidores de mucha energía y limitados en capacidades. El popular SIMCom SIM900, por ejemplo, mide 24 por 24 mm (576 mm cuadrados), mientras que el más moderno uBlox SARA-R4, que utilicé en mi proyecto, es de 16 por 26 mm (416 mm cuadrados) y ofrece capacidades significativamente mayores y un ancho de banda mucho más alto. Al aprovechar las nuevas bandas LTE, el módulo celular uBlox proporciona tasas de datos más de cuatro veces mayores que el SIM900. El uBlox no utiliza apreciablemente más energía para comunicarse con la red que el SIM900, sin embargo, con hasta 4 veces la tasa de datos gracias a LTE, enviar la misma cantidad de datos potencialmente consume un cuarto de la energía, lo cual es excelente para la vida útil de la batería.

Los módulos celulares siguen siendo consumidores de energía relativamente altos, a pesar del gran progreso en la tecnología durante los últimos años. En contraste, un típico módulo LoRaWAN utiliza solo 450 mW de potencia para transmitir a su máxima potencia en comparación con 2 W o más para un módulo LTE. Sin embargo, el módulo LTE transmitirá automáticamente usando mucha menos energía si está más cerca de una torre celular. En contraste, el módulo LoRa típicamente será programado para usar un nivel de potencia fijo, y se necesita más desarrollo de firmware para incluir características automáticas de reducción de potencia de transmisión. A pesar del consumo de energía aparentemente alto, el rendimiento de un módulo LTE es mucho mayor que el de un módulo LoRaWAN. LoRA tiene una tasa de datos máxima de 27 kbps, casi 15 veces más lenta que el rendimiento máximo de un módulo LTE. Con solo cuatro veces el consumo de energía, un módulo LTE puede terminar de transmitir datos más rápido y volver a dormir, utilizando en general menos energía.

A pesar de que potencialmente usa menos energía por byte, el gran consumo máximo de energía del módulo LTE sí tiene otros costos. Se requiere una fuente de alimentación más grande, lo que aumentará el costo de los componentes en la placa, el tamaño de la placa y potencialmente la batería o fuente de alimentación del dispositivo para manejar la corriente.

¿Qué módulo celular utilizar?

Después de mucha investigación para mi proyecto de rastreador LTE, el uBlox SARA R410 cumplió mejor con mis requisitos; sin embargo, podría no ser el módulo celular perfecto para los requisitos de tu proyecto. Aquí hay algunas alternativas notables sin ningún orden en particular:

Bandas/Protocolos Celulares

3GPP (Proyecto de Asociación de Tercera Generación) es el organismo responsable de desarrollar nuevas especificaciones técnicas para las redes celulares. Su trabajo luego se incorpora a los estándares por numerosos comités nacionales e internacionales.

Si lees todas las especificaciones y materiales creados por el 3GPP en profundidad, difícilmente mencionarás terminologías de marketing a menudo sobrevaloradas como 4G, 4.5G y 5G. El equipo de 3GPP trabaja bajo un enfoque refrescantemente sobrio y humilde, considerando que gran parte de la tecnología moderna se construye sobre sus hombros. Las únicas pautas que ofrecen sobre el tema son las siguientes:

• 1G: Primera tecnología de telefonía inalámbrica basada en analógico. Piensa en las películas de Wall Street de los 80 y los teléfonos-ladrillo.
• 2G: Tecnología de los años 90, GSM/GPRS, EDGE, SMS y servicios de datos. Aún ampliamente adoptada por nosotros, los que estamos en la industria electrónica, esta es definitivamente una tecnología legado.
• 3G: Mejoras sobre la tecnología GPRS y EDGE existente, mejora de las tasas de datos, enfoque primero en paquetes.
• 3.5-4G: Incluye LTE, LTE Advanced y LTE Advanced Pro. Esta es la generación más comúnmente adoptada por los dispositivos modernos y operadores.
• 5G: La última generación, que apenas está comenzando a implementarse en las naciones más ricas del mundo, cubre un número significativo de innovaciones y está siendo muy promocionada.

Actualmente, la última versión congelada de 3GPP es la Release 15 (aprobada en 2017), mientras que la Release 16 y la Release 17 aún están en proceso. Las especificaciones de 3G y 4G caen mayormente bajo el estándar LTE. LTE divide los dispositivos en categorías basadas en la tasa de datos asignada, número de release, configuración MIMO y otros parámetros.

Las Categorías 1 a 5 son las originales - que datan de la Release 8 en 2006, y cubren desde alrededor de 10 Mbit hasta 300 Mbit. La Release 10 y la release 11 expandieron la velocidad máxima alcanzable a 4 Gbit a través de las categorías 6 a 12.

Lo que más nos interesa es lo que hicieron las versiones 12 y 13. La primera introdujo CAT-0 con una velocidad máxima de 1 Mbit y un consumo de energía reducido. La última bajó a 0.68 Mbit pero permitió la creación de dispositivos con un consumo de energía ultra bajo, compitiendo con protocolos como SigFox y LoRa, así como habilitando una vida útil de la batería de 10 años con una sola batería primaria de litio.

Si necesitas la vida útil de la batería de 10 años, tienes pocas opciones aparte de optar por IoT-NB, pero si tus requisitos de energía son un poco más relajados, entonces CAT-M con una opción de reserva CAT-1 debería cubrirte a nivel mundial. Afortunadamente, muchas empresas ofrecen módulos LTE que soportan múltiples protocolos, usualmente una combinación de NB-IoT y CAT-M, a veces con una opción de reserva GPRS o CAT-1.

2G y 3G

Las redes 2G, del tipo que se utiliza a menudo en dispositivos embebidos antiguos, ofrecen una velocidad de conexión máxima de 40 kbps, lo que hace que la conexión sea impráctica para muchas aplicaciones modernas, como una API web con muchas lecturas de sensores u otros datos que se transfieren. La baja velocidad también afecta al consumo de energía. Si envías 1 MByte de datos, necesitas mantener tu módem 2G encendido durante 3 minutos. Al elegir un módem más rápido, puedes extender el tiempo de reposo tanto como sea posible, ahorrando tiempo y energía de la batería.

Muchos operadores de red están depreciando completamente el soporte 2G. No lo utilizan la gran mayoría de los dispositivos móviles en uso hoy en día, y la demanda de los clientes es prácticamente inexistente fuera de las áreas rurales. La mayoría de las aplicaciones para smartphones no funcionarán con una conexión 2G ya que la tasa de datos es demasiado lenta y parece para el software como si la red no respondiera. El 3G está desapareciendo rápidamente por razones muy similares. Los dispositivos modernos requieren un mayor rendimiento del que el 3G puede proporcionar, y apoyar esta tecnología tiene poco sentido para un operador moderno. Aunque hay mucho más soporte para el 3G en todo el mundo que para el 2G, sus días están contados.

Categorías LTE

Muy pronto, el nivel mínimo de capacidades celulares que estará disponible en la mayoría del mundo será proporcionado por las redes LTE. Aquí hay una breve descripción de diferentes categorías LTE:

5G

5G es bastante diferente de las categorías LTE mencionadas anteriormente. No solo aumenta su rendimiento y requisitos, con soporte para hasta 71GHz en frecuencia, sino que también permite un número masivo de dispositivos. 5G sienta las bases para una sociedad más conectada a través de las versiones 15 a 17 de 3GPP: comunicación crítica para misiones, API para construir sobre la tecnología, conectividad vehicular y ferroviaria, comunicación ultrafiable, baja latencia, redes privadas e incluso Redes No Terrestres (NIN) y comunicación satelital. Así, 5G va más alto, más amplio y también más pequeño a través del soporte extendido para dispositivos de ultra-bajo consumo y implementaciones de complejidad reducida a través del mencionado protocolo NB-IoT.

Muchas de las características de 5G que se promocionan intensamente van a ser bastante inútiles para aplicaciones embebidas. El enorme ancho de banda probablemente será un desafío para que un microcontrolador o microprocesador embebido pueda aprovechar. Las nuevas bandas de alta frecuencia limitan severamente el alcance para acceder a una torre, y lo más importante - los módems celulares que soportan LTE solo han salido al mercado relativamente reciente. Probablemente pasarán varios años antes de que se lance un módem 5G de bajo costo, producido en masa y de aplicación práctica para la mayoría de los dispositivos IoT.

En los últimos 50 años, los dispositivos embebidos a los que tenemos acceso los ingenieros electrónicos han ido a la zaga de la industria de TI de consumo por unos 20 años. Utilizamos microcontroladores con una densidad similar a la de un CPU de hace 20 años. Nuestros sistemas básicos embebidos en Linux suelen tener aproximadamente la potencia de un sistema de principios de los 2000. Aún solemos utilizar tecnología de los años 2000 en nuestros dispositivos para la comunicación inalámbrica (las redes GPRS de las que hemos hablado). Es cierto que los dispositivos que usamos son una fracción del tamaño y costo de la tecnología de hace 20 años. Justo en los últimos años, hemos empezado a ver que esta brecha se ha reducido considerablemente, en parte gracias a la industria de dispositivos portátiles. ¿El enorme impulso de la industria de los smartphones se filtrará para proporcionarnos módems celulares pre-certificados accesibles en un futuro cercano?

Características LTE

3GPP ha introducido varias características que aseguran que el consumo de energía sea significativamente menor en productos de Internet de las cosas celulares, especialmente para productos que utilizan el protocolo NB-IoT. Dos características importantes son:

Modo de Ahorro de Energía (PSM)

El modo de ahorro de energía (PSM) permite que el dispositivo duerma sin desconectarse de la red. Aunque no se puede intercambiar datos durante este tiempo, la función elimina las desventajas del sueño típico del módem, como el saludo de consumo de energía para volver a unirse a la red y los tiempos de espera después de entrar en modo de reposo. El dispositivo comunica su preferencia respecto al tiempo de sueño a la red, pero esta tiene la última palabra.

Recepción Discontinua Extendida (eDRX)

eDRX es un acrónimo algo críptico para una función simple. Cuando se activa, el dispositivo puede elegir un período eDRX durante el cual no podrá recibir mensajes, pero sí enviarlos. Aunque el ahorro de energía no es tan profundo como con el PSM, permite que el dispositivo siga enviando datos y sea un compromiso interesante. Se extiende en comparación con los períodos de un par de segundos previamente permitidos para dispositivos LTE.

Operadores IoT/M2M

Aquí hay una lista de operadores de redes SIM IoT, y aunque no ofrecemos ningún respaldo, los siguientes, entre otros, se han distinguido consistentemente en reseñas en línea:

• Things Mobile es probablemente el proveedor de M2M más famoso específicamente dirigido a IoT, ya que fue uno de los primeros en moverse en el mercado celular de IoT.
• 1NCE ofrece opciones atractivamente preciosas de 10 años.
• Truphone es un operador con sede en el Reino Unido que ha estado en el negocio durante muchos años atendiendo a empresas y que ahora cuenta con una amplia cartera de IoT.
• Hologram viene con extensos servicios en la nube, un SDK de Python y soporte integrado para SBCs de Linux (Computadoras de placa única). Es uno de los más fáciles de empezar a usar.
• Twilio Narrowband es la última oferta de Twilio, uno de los mayores operadores de VoIP y correo electrónico a nivel mundial, conocido por ser extremadamente amigable para los desarrolladores.

¿Es un módem celular adecuado para ti?

Para aplicaciones específicas, una conexión celular podría ser la única manera de enviar datos de vuelta a tus servicios web sin tener que construir una extensa infraestructura física y de software. Desde los primeros días, la tecnología celular ha venido con módems grandes y tasas de datos terribles que consumían mucha energía por byte transmitido. Dicho esto, si tienes una conexión WiFi disponible y el dispositivo siempre estará dentro del alcance de la conexión WiFi, es más fácil optar por WiFi en lugar de construir un producto de Internet de las cosas celular. No necesitas gestionar una tarjeta SIM y el contrato M2M que viene con ella - es mucho gasto extra cuando ya tienes una conexión utilizable.

Si su dispositivo va a estar en movimiento o en un lugar sin otras opciones de red, entonces la opción celular podría ser perfecta siempre y cuando haya cobertura. Usar un módem celular será más barato y rápido que casi cualquier otra opción disponible. Si está trabajando en un dispositivo que estará muy remoto, podría necesitar considerar un servicio satelital como respaldo al celular para asegurar que sus datos se envíen a tiempo. Lo genial de usar un módem celular preempaquetado es que muchos de los desafíos de EMC en un dispositivo móvil de alta frecuencia ya están resueltos a nivel del módem. Su trabajo como diseñador de PCB es disponer adecuadamente el resto de la placa alrededor del módem mientras asegura el aislamiento entre diferentes bloques de circuitos.

Una vez que esté listo para crear un PCB para su producto IoT celular, use las características de diseño y disposición en Altium Designer®. Cuando esté listo para fabricar su placa, puede compartir los datos de su proyecto con su fabricante usando la plataforma Altium 365®. ¿Tiene más preguntas? Llame a un experto en Altium.