Low Power devices - Integración en sistemas IoT

Introducción

Todos los que nos dedicamos a la electrónica, telecomunicaciones o IT, conocemos la famosa ley de Moore, que predecía la duplicación del número de transistores en un microcontrolador, y que ha ido acertando año tras año, llevando este número hasta las puertas de los 50 billones de transistores donde nos encontramos ahora en 2023 y que partió de los pocos miles allá por los años setenta.

Una progresión logarítmica, que ha abierto una cantidad de nuevas posibilidades de computación, y procesado que han llevado el Edge, y los dispositivos portátiles a otro nivel de capacidades.

Pero estas capacidades de computación tienen un requerimiento inmutable hasta ahora (y creo que también en el futuro), energía. Sin ella no hay procesado, no hay comunicación, no hay datos. Por lo tanto, no es ninguna locura poner a un nivel similar de importancia, la ley de Moore y la evolución de la densidad de energía disponible en los dispositivos.

Es fácil darse cuenta de que no han sido ni mucho menos vidas paralelas.

Las baterías modernas, nacen en el siglo XIX, mientras que los transistores como los conocemos en la década de los 70, por lo tanto, las baterías llevarían 130 años de "ventaja", los transistores han multiplicado su número por 50M, mientras que la densidad de energía (Wh/l) solo por 250.

Dejando aparte las consideraciones físicas de ambas tecnologías que evidentemente son distintas, el ritmo de evolución de las baterías no ha seguido el de la capacidad de procesado, por eso ha sido necesario invertir en la reducción de consumos para poder conseguir cerrar la brecha entre ellos.

Por lo tanto, el concepto Low Power entre los dispositivos actuales se ha convertido en algo primordial para conseguir extender la inteligencia en el Edge, movilidad y dispositivos personales.

Ecosistema Low Power

El esfuerzo de la industria electrónica para construir dispositivos, cada vez más pequeños y con menos consumo ha sido considerable en los últimos años, y ha llevado a tener no solo dispositivos Low Power con baterías o conectados de muy bajo consumo, sino incluso dispositivos Ultra Low Power que operan sin baterías, y que mediante Energy Harvesting son capaces de recoger y enviar datos de forma ininterrumpida, evitando así la necesidad de recarga o sustitución de las baterías.

La necesidad de contar con sistemas que cuenten con una larga duración, sobre todo en entornos de monitorización, sensorización y control de elementos y dispositivos físicos ha supuesto la aparición de diversas tecnologías que permiten su implementación, y que básicamente categorizamos en función de cómo se conectan a internet o a otros dispositivos, así pues, encontramos los que cuentan con la capacidad de conexión directa como:

• Wi-Fi: quizás la menos Low Power de todas, pero que permite conectar dispositivos como ordenadores o móviles con altos niveles de transferencia de datos y baja latencia, si bien su rango de operación es también limitado.

• Celular: Redes como LTE CAT 1, LTE CAT M1, o NB-IoT permiten a dispositivos de bajo consumo conectarse a internet de forma directa, con rangos de conexión muy amplios, y con volúmenes de transferencia también diversos, pero son sistemas licenciados por lo tanto necesitan de una suscripción o SIM.

Y por otro lado los mecanismos que requieren de un Gateway como dispositivo intermedio de conexión a internet:

• Bluetooth: Protocolo privado que ha alcanzado cuotas de mercado muy amplias en el entorno de consumo, con modos de bajo consumo, pero con limitaciones en cuanto a rango, ancho de banda y seguridad.

• ZigBee: con la capacidad de crear redes de tipo mesh, la comunicación entre dispositivos y con el Gateway, permite la conexión a internet, con consumos muy bajos y un gran rango de comunicaciones, pero con anchos de banda reducidos y una gestión de red compleja.

• LoRaWAN: con la conexión al geteway estos dispositivos de muy bajo consumo pueden conectarse a internet, y cuentan con unos rangos de comunicación muy grandes, a coste de anchos de banda muy reducidos.

• Sub-GHz: consumos extremadamente bajos y rangos de comunicación considerables, pero con anchos de banda muy limitados, y regulaciones variables en cuanto a espectro radioeléctrico según los países, para la comunicación de datos a través de un Gateway a internet.

Todo ello con una diversidad de protocolos que permiten el intercambio de datos, MQTT, AMQP, HTTP, CoAP, DDS, LwM2M y muchos otros específicos, creando un ecosistema muy diverso y complejo.

Edge o no Edge

Exceptuando los casos de celular y wifi, la integración de sistemas Low Power, en muchos casos debe contar con dispositivos Edge para conseguir conectar los datos a internet, los Gateways en este caso se convierten en elementos imprescindibles donde los dispositivos conectan y transmiten sus datos, pero también como elementos de procesado que permiten la limpieza y optimización de estos.

Los equipos capaces de realizar la conexión directa a internet (Wifi o celular) permiten ahorrar esta capa intermedia de conexión y gestión, pero también supone tener que delegar la gestión del ciclo de vida del dispositivo al propio dispositivo o a las capas superiores en la plataforma donde se conecten, para poder llevar a cabo las tareas de control y mantenimiento necesarias, que pueden ser incluso más complejas si hablamos de infraestructura licenciada.

Los sistemas que requieren de una capa intermedia Edge, la usan en muchos casos para gestionar el ciclo de vida de los dispositivos conectados, para el onboarding, actualización de Firmware (FOTA), como para la retirada y desconexión de estos dispositivos o incluso para delegar tareas de procesado de los datos. En muchas ocasiones esta capa intermedia, es no solo necesaria por arquitectura si no por las limitaciones en cuanto a capacidades de gestión de los propios dispositivos.

Integración IoT

La estandarización cada vez más importante de protocolos, está permitiendo que tanto los dispositivos como las plataformas IoT, cuenten con la compatibilidad necesaria para la integración de cualquier tipo de dispositivo y protocolo. Adicionalmente las capas Edge donde se conectan muchos de estos dispositivos, permiten realizar cualquier tipo de conversión de protocolo o datos.

Aquellos dispositivos con infraestructuras específicas, como pueden ser las tecnologías de comunicación celular, también cuentan con la posibilidad de conectarse mediante pasarelas de interconexión de datos para que el flujo de datos llegue en forma y tiempo a su destino. Un ejemplo puede ser la realización de la pasarela específica entre NB-IoT y el Hub en la nube de AWS basado en IP, esto permite la comunicación de balizas de emergencia de HelpFlash, conectadas a la red de Vodafone y llevar los datos a una plataforma Cloud IP para integrarse finalmente con la plataforma de la DGT.

Por otro lado, los sistemas que requieren Edge, disponen de la versatilidad de dimensionar esta capa para dotarles de capacidades de procesado e interoperabilidad casi infinitas. Así por ejemplo podemos conectar mediante un Gateway con base Linux, numerosos dispositivos Bluetooth Low Power de Roca, permitiendo la gestión del ciclo de vida, actualización, bidireccionalidad para el control de los dispositivos y el procesado de los datos para optimizar los paquetes de información hacia la nube., o para la interpretación de los datos directamente en el Edge. Adicionalmente permite incorporar una capa adicional de seguridad que limita tanto el acceso como la propagación de posibles ataques en la red.

En resumen, la elección del dispositivo, conectividad y protocolo es una fase importante a tener en cuenta en el desarrollo del caso de uso y de negocio mas favorable. Las necesidades o capacidad operativa de mantenimiento sobre los dispositivos (para el cambio de baterías por ejemplo), el rango de comunicaciones necesario, así como el ancho de banda requerido para la transmisión de los datos, conjuntamente con la disponibilidad de infraestructura de comunicaciones y de red, en función de la ubicación de los dispositivos, condicionan la elección de la arquitectura más favorable para conseguir un retorno de inversión positivo y un modelo de explotación viable.