Al seleccionar un método de comunicación para los dispositivos del IIoT en aplicaciones industriales, se deben tener en cuenta varios factores: rendimiento máximo, rango de distancia, disponibilidad en la zona de despliegue y consumo energético. Las tecnologías de comunicación en la fabricación inteligente se analizan en la sección 3 del informe "Soluciones inteligentes para eficiencia energética" (haga clic aquí para más información). Este blog analiza los principales protocolos de comunicación y su impacto en el consumo energético.

Las aplicaciones del IIoT contienen grupos de sensores que están conectados a nodos de sensores. El tiempo de transmisión lo determina la distancia entre dos nodos, la velocidad de los datos y el tamaño del mensaje, todo lo que influye en la optimización de la energía. En efecto, cuanto mayor sea la velocidad de transmisión de datos, menor será el tiempo necesario para recibirlos/transmitirlos, lo que se traduce en una reducción del consumo de energía. Los nodos de sensores son generalmente dispositivos alimentados por baterías, cuya durabilidad se ve afectada por varios factores externos a la tecnología, el diseño y la calidad de fabricación de las baterías.

La adopción de una solución de conectividad inalámbrica ofrecería un consumo energético extremadamente bajo de los dispositivos, al tiempo que mantendría la capacidad de transmitir rápidamente grandes cantidades de datos a diversas distancias, manteniendo simultáneamente la viabilidad económica.

Tecnologías de comunicación inalámbrica empleadas en aplicaciones industriales:

Como ilustra la imagen siguiente, el alcance de una red inalámbrica para aplicaciones industriales se suele clasificar en tres clases: redes inalámbricas de área personal (WPAN), redes inalámbricas de área local (WLAN) y redes inalámbricas de área amplia (WWAN).

Esquema de un controlador de velocidad variable
Fig. 1: Tecnologías de conectividad inalámbrica

Las WPAN suelen tener un alcance de cerca de 100 m. Estos dispositivos, como BLE, ZigBee, NFC y Thread connection, suelen tener poca energía de transmisión por radio y funcionan con baterías pequeñas. La mayor parte del tiempo, estos dispositivos están en modo de reposo. Cuando se produce un evento, el dispositivo se despierta y envía un breve mensaje a una pasarela, un PC o un smartphone. Un módulo BLE típico tiene un consumo de energía máximo/pico de 39 mA o menos, mientras que el consumo medio de energía es de unos ~9 μA. El consumo de energía activa es una décima parte del de la tecnología Bluetooth convencional. En aplicaciones de bajo ciclo de trabajo, una pila de botón podría proporcionar entre 5 y 10 años de funcionamiento fiable.

WLAN generalmente tiene un alcance de hasta 1000 metros. Wi-Fi es el estándar más común. 802.11 ax es una de las generaciones más recientes de estándares Wi-Fi que también se llama Wi-Fi 6. Wi-Fi 6 ofrece una mayor velocidad y capacidad de datos, hasta 9,6 Gbps, y opera tanto en el espectro de 2,4 GHz como en el de 5 GHz. Wi-Fi 6 también introduce una nueva tecnología que optimiza los requisitos de energía en el extremo del cliente. La hora de despertar del objetivo (TWT) reduce el consumo al permitir que el punto de acceso y el cliente negocien exactamente cuándo debe despertarse el receptor para escuchar la transmisión del emisor.

Las redes WWAN suelen tener un alcance de hasta 100 km. La tecnología celular (2G, 3G y 4G) se utiliza para la conectividad de dispositivos remotos de largo alcance. La tecnología 5G, que se está desplegando actualmente, promete un enorme ancho de banda y una latencia extremadamente baja, lo que podría favorecer su adopción. La conectividad celular se ha enfocado históricamente en el alcance y el ancho de banda por encima del consumo energético. La gran cantidad de datos producidos por los dispositivos era difícil de procesar con rapidez y el tiempo que transcurría entre el envío de los datos desde un dispositivo conectado hasta su regreso al mismo (la latencia) era elevado. Sin embargo, las nuevas tecnologías celulares como la 5G transmiten datos unas 10 veces más rápido que la 4G, prometiendo una latencia muy baja y un menor consumo de energía.

Las tecnologías de redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) se adaptan bien a las necesidades específicas de la comunicación entre máquinas (M2M) y de los dispositivos del IoT. Esta tecnología ofrece bajo consumo y gran alcance (hasta 10 a 50 km en zonas rurales y 1 a 10 km en zonas urbanas). La red funciona tanto en el espectro con licencia (NB-IoT y LTE-M) como sin ella (Sigfox y LoRa).

LTE-M está optimizado para un mayor ancho de banda y conexiones móviles. Tiene reducción del ancho de banda del dispositivo de 1,4 MHz tanto ascendente como descendente, reducción de la potencia máxima de transmisión de 20 dBm, mejora de la cobertura LTE correspondiente a 15 dB para FDD (dúplex por división de frecuencia), y mejora del ciclo LTE DRX para permitir mayores periodos de inactividad y así optimizar la duración de la batería. NB-IoT ofrece conexiones de datos de menor ancho de banda, con un ancho de banda del dispositivo de 200 kHz tanto en ascendente como en descendente. También mejora la cobertura LTE en 20 dB.

Tanto Sigfox como LoRa son protocolos de comunicación asíncronos. Los dispositivos finales Sigfox y LoRa están en modo de reposo la mayor parte del tiempo en que se encuentran fuera de servicio, lo que reduce la cantidad de energía que consumen. Sigfox, LoRa ofrece clase C para manejar la baja latencia bidireccional a costa de un mayor consumo de energía.

Farnell se ha asociado con muchos fabricantes diferentes de una amplia gama de productos de tecnologías de la comunicación y carteras de soluciones, como: pasarelas y kits de redes, módulos RFID, módulos de red, módulos Bluetooth, módulos Zigbee, sub GHz, sensores, control de redes inalámbrico, control de procesos inalámbrico, kits de desarrollo RF/inalámbrico

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