Comunicación inalámbrica en sistemas IoT utilizando módulos Arduino MKR
Comunicación inalámbrica en sistemas IoT utilizando módulos Arduino MKR
Comunicación inalámbrica en sistemas IoT utilizando módulos Arduino MKR
Uno de los mayores problemas que enfrenta actualmente el mercado de dispositivos Internet de cosas (IoT) es su gran fragmentación. La multitud de dispositivos y protocolos de comunicación hace que sea muy difícil construir un sistema uniforme y funcional si decidimos utilizar componentes de diferentes fabricantes. Hay muchas razones para esta división y no siempre están relacionadas solo con el deseo de los diseñadores de forzar sus propias soluciones con licencia. El término IoT cubre muchos tipos de dispositivos. Estos pueden ser, por ejemplo, pequeños sensores de medición alimentados por fuentes de energía alternativas y que requieren el intercambio de una pequeña cantidad de datos a largas distancias, pero también cámaras remotas que transmiten imágenes de alta resolución en tiempo real. Por tanto, la especificidad del dispositivo diseñado obliga a los diseñadores a seleccionar la tecnología de comunicación inalámbrica adecuada, adecuada a los requisitos del dispositivo diseñado. Hay que tener en cuenta, entre otros, la duración de la batería, rango de comunicación o cantidad de datos transferidos. Respondiendo a las necesidades del mercado, los productores de conjuntos de desarrollo (incluyendo la plataforma Arduino) se aseguraron de que su cartera cubriera las necesidades de los diseñadores de dispositivos de IoT en la mayor medida posible. En el artículo presentamos una breve descripción de los conjuntos de desarrollo Arduino seleccionados de la familia MKR, preparados para la creación rápida de prototipos de dispositivos IoT, utilizando comunicación inalámbrica en estándares como WiFi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G o NB-IoT .
Comunicación WiFi/Bluetooth con Arduino MKR 1000/1010
La comunicación en la banda de frecuencia ISM de 2,4 GHz, utilizando estándares WiFi y Bluetooth, ha estado operando en el mercado de dispositivos IoT durante varios años. Para las necesidades de la rápida implementación de prototipos de hardware/software utilizando comunicación WiFi, la empresa Arduino ha desarrollado conjuntos de desarrollo Arduino MKR WiFi 1000 y MKR WiFi 1010. El primero de estos conjuntos se basa en el módulo ATSAMW25, incluyendo microcontrolador SAMD21, ruta de radio WINC1500 y el sistema de autorización ECC508. El conjunto en la versión MKR 1010 está equipado con el módulo de radio NINA-W102 de la marca u-blox, que ofrece comunicación Bluetooth/BLE.
Figura 1 y 2. Módulos Arduino MKR WAN 1000 (izquierda) y MKR WAN 1010 (derecha).
Por lo que hace software, la empresa Arduino proporciona la biblioteca WiFi101 para módulos MKR WiFi 1000, que admite el cifrado personal WEP y WPA2. Para el módulo MKR WiFi 1010 (y otros conjuntos basados en módulo u-blox NINA-W102, incluido Arduino NANO 33 IoT) el fabricante ha preparado la biblioteca WiFiNINA, así como una serie de aplicaciones de muestra que presentan la integración con Android IoT Cloud y Azure, AWS IoT Core, Google Firebase o Blynk.
Comunicación LoRaWAN y Sigfox – módulos Arduino MKR WAN 13x0 y FOX 1200
El desarrollo dinámico de los sistemas de IoT ha dado lugar a un mayor interés en el tema de las ciudades inteligentes. Desafortunadamente, la conectividad mediante los estándares WiFi / Bluetooth / BLE es local y no cumple con todos los requisitos establecidos para los proyectos del grupo "Smart City" (que incluyen, entre otros, extensas redes de sensores de contaminación, monitoreo del nivel del agua u ocupación de espacios de estacionamiento). La solución a los problemas puede ser el uso de uno de los dos estándares de comunicación más populares en el área de LPWAN (Low Power Wide Area Network) – LoRaWAN o Sigfox, que permite la transmisión de una pequeña cantidad de datos a largas distancias. Con el fin de crear prototipos rápidos de dispositivos que utilizan la comunicación LoRa/LoRaWAN, los diseñadores de Arduino prepararon conjuntos de desarrollo MKR WAN 1300, y su sucesor MKR WAN 1310. Ambos módulos están basados en el microcontrolador Atmel SAMD21, utilizado en otros módulos de la serie Arduino MKR, así como en el módulo de radio Murata CMWX1ZZABZ. La versión más nueva del módulo se ha equipado adicionalmente con 2 MB de memoria Flash, un nuevo sistema de carga de batería y - optimizado para un bajo consumo de energía - sistemas de suministro de energía.
Figura 3 y 4. Módulos Arduino MKR WAN 1300 (izquierda) y MKR WAN 1310 (derecha).
Los módulos MKR WAN 13x0 trabajan con la nube proporcionada por el fabricante Arduino IoT Cloud. La complejidad de las soluciones proporcionadas se complementa con una pasarela de acceso optimizada para módulos MKR WAN 1310 Arduino Pro Gateway LoRa Connectivity.
Una alternativa interesante a la comunicación LoRa/LoRaWAN es el estándar Sigfox, que pone especial énfasis en la comunicación desde los nodos hasta la puerta de acceso. De la oferta de la empresa Arduino, se puso un módulo a disposición de los diseñadores MKR FOX 1200, basado en el microcontrolador Atmel SAMD21. El sistema Microchip Smart RF ATA8520 es responsable de la comunicación por radio, cuya ruta de radio se ha sintonizado a la frecuencia ISM 868 MHz aplicable en Europa.
Figura 5. Módulo Arduino MKR FOX 1200 para la implementación de la comunicación en red Sigfox.
Comunicación GSM/3G – módulo Arduino MKR GSM 1400
Incluso una red de malla (Mesh), que trabaja en el estándar LoRa/LoRaWAN, actualmente no puede proporcionar cobertura global. En el caso de proyectos de IoT que requieren una comunicación de área casi ilimitada, la mejor solución es utilizar el estándar GSM / 3G. Arduino ha preparado para comunicación GSM/3G el módulo MKR GSM 1400, equipado con el modem SARA-U210 de la marca u-blox y sistema de autorización Microchip ECC508 para realizar mecanismos de seguridad en las comunicaciones. El módem GSM incorporado proporciona cobertura de comunicación en bandas GSM 850 MHz, E-GSM 1900 MHz, DCS 1800 MHz y PCS 1900 MHz.
Para mejorar el proceso de preparación del software, el fabricante proporciona la biblioteca MKRGSM (liberando al programador de operar el módulo usando comandos AT de bajo nivel), junto con un rico conjunto de ejemplos (que incluyen, entre otros: conectividad GPRS, recepción / transmisión de mensajes de texto, manejo de llamadas de voz). El módulo MKR GSM 1400 puede funcionar tanto con el software Arduino IoT Cloud, como con soluciones alternativas en la nube: Google IoT Cloud, Blynk o SORACOM Air IoT, para lo que el fabricante ha preparado un conjunto de implementaciones de ejemplo.
Figura 6. Módulo Arduino MKR GSM 1400 para la realización de comunicaciones en la red GSM/3G.
Comunicación en red Narrowband IoT – módulo Arduino MKR NB 1500:
Al hacer una breve descripción de los estándares de comunicación seleccionados dentro de los dispositivos de Internet de las cosas, es imposible ignorar las soluciones basadas en el estándar de IoT de banda estrecha (NB-IoT), que utilizan la banda LTE de 800 MHz con licencia para la comunicación. Al igual que las soluciones LoRaWAN y Sigfox, NB-IoT es parte del grupo de redes LPWAN, por lo que garantiza una comunicación estable en grandes áreas, utilizando módulos de radio de ahorro de energía, lo que garantiza muchos años de funcionamiento de la batería. Por tanto, es una alternativa más a la comunicación LoRaWAN y Sigfox en soluciones del segmento "Smart City".
Para la creación rápida de prototipos de nodos finales que funcionan en el estándar NB-IoT, la empresa Arduino ha preparado el conjunto MKR NB 1500, equipado con módulo u-blox SARA-R410M-02B, permitiendo la comunicación LTE Cat M1/NB1 en las bandas 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26 y 28. Además, el conjunto MKR NB 1500 ha sido equipado con un sistema de autorización ECC508 de la marca Microchip, el conector de tarjeta MicroSIM, controlador de carga de batería Li-Po y conector de antena externa.
Figura 7. Módulo Arduino MKR NB 15 para la realización de comunicaciones en red Narrowband IoT.