Dispositius de Baix Consum - Integració en sistemes IoT

Introducció

Tots els que ens dediquem a l'electrònica, telecomunicacions o IT, coneixem la famosa llei de Moore, que predeia la duplicació del nombre de transistors en un microcontrolador, i que ha anat encertant any rere any, portant aquest nombre fins a les portes dels 50 bilions de transistors on ens trobem ara el 2023 i que va partir dels pocs milers allà pels anys setanta.

Una progressió logarítmica, que ha obert una quantitat de noves possibilitats de computació, i processat que han portat l'Edge, i els dispositius portàtils a un altre nivell de capacitats.

Però aquestes capacitats de computació tenen un requeriment immutable fins ara (i crec que també en el futur), energia. Sense ella no hi ha processat, no hi ha comunicació, no hi ha dades. Per tant, no és cap bogeria posar a un nivell similar d'importància, la llei de Moore i l'evolució de la densitat d'energia disponible en els dispositius.

És fàcil adonar-se que no han estat ni molt menys vides paral·leles.

Les bateries modernes, neixen al segle XIX, mentre que els transistors com els coneixem a la dècada dels 70, per tant, les bateries portarien 130 anys de "avantatge", els transistors han multiplicat el seu nombre per 50M, mentre que la densitat d'energia (Wh/l) només per 250.

Deixant de banda les consideracions físiques d'ambdues tecnologies que evidentment són diferents, el ritme d'evolució de les bateries no ha seguit el de la capacitat de processat, per això ha estat necessari invertir en la reducció de consums per poder aconseguir tancar la bretxa entre ells.

Per tant, el concepte Low Power entre els dispositius actuals s'ha convertit en quelcom primordial per aconseguir estendre la intel·ligència a l'Edge, mobilitat i dispositius personals.

Ecosistema Low Power

L'esforç de la indústria electrònica per construir dispositius, cada vegada més petits i amb menys consum ha estat considerable en els últims anys, i ha portat a tenir no només dispositius Low Power amb bateries o connectats de molt baix consum, sinó fins i tot dispositius Ultra Low Power que operen sense bateries, i que mitjançant Energy Harvesting són capaços de recollir i enviar dades de forma ininterrompuda, evitant així la necessitat de recàrrega o substitució de les bateries.

La necessitat de comptar amb sistemes que comptin amb una llarga durada, sobretot en entorns de monitorització, sensorització i control d'elements i dispositius físics ha suposat l'aparició de diverses tecnologies que permeten la seva implementació, i que bàsicament categoritzem en funció de com es connecten a internet o a altres dispositius, així doncs, trobem els que compten amb la capacitat de connexió directa com:

• Wi-Fi: potser la menys Low Power de totes, però que permet connectar dispositius com ordinadors o mòbils amb alts nivells de transferència de dades i baixa latència, si bé el seu rang d'operació és també limitat.

• Cel·lular: Xarxes com LTE CAT 1, LTE CAT M1, o NB-IoT permeten a dispositius de baix consum connectar-se a internet de forma directa, amb rangs de connexió molt amplis, i amb volums de transferència també diversos, però són sistemes llicenciats per tant necessiten d'una subscripció o SIM.

I d'altra banda, els mecanismes que requereixen d'un Gateway com a dispositiu intermedi de connexió a internet:

• Bluetooth: Protocol privat que ha assolit quotes de mercat molt àmplies en l'entorn de consum, amb modes de baix consum, però amb limitacions pel que fa a rang, ample de banda i seguretat.

• ZigBee: amb la capacitat de crear xarxes de tipus mesh, la comunicació entre dispositius i amb el Gateway, permet la connexió a internet, amb consums molt baixos i un gran rang de comunicacions, però amb amples de banda reduïts i una gestió de xarxa complexa.

• LoRaWAN: amb la connexió al geteway aquests dispositius de molt baix consum poden connectar-se a internet, i compten amb uns rangs de comunicació molt grans, a cost d'amples de banda molt reduïts.

• Sub-GHz: consums extremadament baixos i rangs de comunicació considerables, però amb amples de banda molt limitats, i regulacions variables pel que fa a espectre radioelèctric segons els països, per a la comunicació de dades a través d'un Gateway a internet.

Tot això amb una diversitat de protocols que permeten l'intercanvi de dades, MQTT, AMQP, HTTP, CoAP, DDS, LwM2M i molts altres específics, creant un ecosistema molt divers i complex.

Edge o no Edge

Exceptuant els casos de mòbil i wifi, la integració de sistemes Low Power, en molts casos ha de comptar amb dispositius Edge per aconseguir connectar les dades a internet, els Gateways en aquest cas es converteixen en elements imprescindibles on els dispositius connecten i transmeten les seves dades, però també com a elements de processament que permeten la neteja i optimització d'aquests.

Els equips capaços de realitzar la connexió directa a internet (Wifi o mòbil) permeten estalviar aquesta capa intermèdia de connexió i gestió, però també suposa haver de delegar la gestió del cicle de vida del dispositiu al propi dispositiu o a les capes superiors en la plataforma on es connectin, per poder dur a terme les tasques de control i manteniment necessàries, que poden ser fins i tot més complexes si parlem d'infraestructura llicenciada.

Els sistemes que requereixen d'una capa intermèdia Edge, la fan servir en molts casos per gestionar el cicle de vida dels dispositius connectats, per a l'onboarding, actualització de Firmware (FOTA), com per a la retirada i desconnexió d'aquests dispositius o fins i tot per delegar tasques de processament de les dades. En moltes ocasions aquesta capa intermèdia, és no només necessària per arquitectura sinó per les limitacions pel que fa a capacitats de gestió dels propis dispositius.

Integració IoT

L'estandardització cada vegada més important de protocols, està permetent que tant els dispositius com les plataformes IoT, comptin amb la compatibilitat necessària per a la integració de qualsevol tipus de dispositiu i protocol. Addicionalment les capes Edge on es connecten molts d'aquests dispositius, permeten realitzar qualsevol tipus de conversió de protocol o dades.

Aquells dispositius amb infraestructures específiques, com poden ser les tecnologies de comunicació cel·lular, també compten amb la possibilitat de connectar-se mitjançant passarel·les d'interconnexió de dades perquè el flux de dades arribi en forma i temps al seu destí. Un exemple pot ser la realització de la passarel·la específica entre NB-IoT i el Hub al núvol d'AWS basat en IP, això permet la comunicació de balises d'emergència de HelpFlash, connectades a la xarxa de Vodafone i portar les dades a una plataforma Cloud IP per integrar-se finalment amb la plataforma de la DGT.

D'altra banda, els sistemes que requereixen Edge, disposen de la versatilitat de dimensionar aquesta capa per dotar-los de capacitats de processament i interoperabilitat gairebé infinites. Així per exemple podem connectar mitjançant un Gateway amb base Linux, nombrosos dispositius Bluetooth Low Power de Roca, permetent la gestió del cicle de vida, actualització, bidireccionalitat per al control dels dispositius i el processament de les dades per optimitzar els paquets d'informació cap al núvol, o per a la interpretació de les dades directament a l'Edge. Addicionalment permet incorporar una capa addicional de seguretat que limita tant l'accés com la propagació de possibles atacs a la xarxa.

En resum, l'elecció del dispositiu, connectivitat i protocol és una fase important a tenir en compte en el desenvolupament del cas d'ús i de negoci més favorable. Les necessitats o capacitat operativa de manteniment sobre els dispositius (per al canvi de bateries per exemple), el rang de comunicacions necessari, així com l'ample de banda requerit per a la transmissió de les dades, conjuntament amb la disponibilitat d'infraestructura de comunicacions i de xarxa, en funció de la ubicació dels dispositius, condicionen l'elecció de l'arquitectura més favorable per aconseguir un retorn d'inversió positiu i un model d'explotació viable.