Acelere la implementación de la IoT avanzada con módulos MCU inalámbricos multiprotocolo

Los diseños avanzados del Internet de las cosas (IoT) requieren ahora opciones seguras de conectividad inalámbrica que garanticen la eficiencia de la red, un rendimiento óptimo y la interoperabilidad en entornos operativos heterogéneos, entre los que se incluyen los protocolos Wi-Fi, Bluetooth de baja energía (BLE), Thread y Matter. Las plataformas de soluciones adecuadas deben integrarse a la perfección con sensores y periféricos, así como contar con un ecosistema que permita un rápido desarrollo desde la evaluación hasta la implantación de dispositivos certificados a nivel mundial.

Cumplir estos requisitos mediante soluciones personalizadas diseñadas desde cero sigue siendo un desafío, principalmente debido a la complejidad del diseño de radiofrecuencia (RF) y señal mixta y a la certificación de los dispositivos. Los diseñadores necesitan un enfoque más integrado.

Este artículo ofrece una breve visión general de los desafíos de conectividad a los que se enfrentan los diseñadores de dispositivos inalámbricos para la IoT. A continuación, se presenta una plataforma inalámbrica lista para usar de u-blox que acelera el diseño avanzado de la IoT al reducir los retrasos asociados a la puesta en marcha de la radio, la integración de protocolos, la implementación de la seguridad y el cumplimiento de normas y reglamentos.

Cómo las cambiantes demandas de conectividad están impulsando el paso a módulos integrados

Las aplicaciones emergentes, como los sistemas de control industrial, la automatización de edificios comerciales y los ecosistemas de dispositivos inteligentes, requieren soluciones de dispositivos IoT flexibles que puedan soportar requisitos especializados de hardware, software y comunicaciones sin comprometer la seguridad ni los presupuestos energéticos. En un número creciente de aplicaciones, también se espera que los dispositivos IoT admitan múltiples opciones de conectividad. Cada uno de ellos debe ser capaz de mantener unas comunicaciones fiables en entornos de radiofrecuencia cada vez más saturados con diversas fuentes de interferencias de radiofrecuencia (RFI) e interferencias electromagnéticas (EMI).

En estas aplicaciones, los diferentes protocolos inalámbricos son esenciales para atender los requisitos específicos de la aplicación. Wi-Fi 6 de doble banda ofrece una programación mejorada de la calidad del servicio para mantener el rendimiento en redes densas; BLE responde a la necesidad de un funcionamiento de bajo consumo en comunicaciones de corto alcance; y Thread permite redes en malla IPv6 a gran escala y autorreparables con autenticación de dispositivos y cifrado AES-128. Estas múltiples opciones de conectividad proporcionan la base para el protocolo Matter, que es una capa de aplicación basada en IP que puede funcionar a través de Wi-Fi o Thread, al tiempo que se basa en BLE para la puesta en marcha de dispositivos y la incorporación segura.

Cumplir todos estos requisitos simultáneamente se ha convertido en un importante desafío de ingeniería. Los diseños tradicionales de radio discreta necesitan múltiples chipsets, front-ends de RF e interfaces de host, lo que aumenta la complejidad del diseño, el consumo de energía y el esfuerzo de certificación. Cada interfaz añadida se convierte en un punto de fallo potencial durante las pruebas de conformidad o cuando se opera con varios protocolos. A medida que se estrechan los plazos de desarrollo y se amplían las expectativas normativas, cada vez son más los equipos que optan por módulos de unidades microcontroladoras (MCU) inalámbricas autónomas que combinan subsistemas de radio, recursos de procesamiento y seguridad integrada en un único componente precalificado.

La serie IRIS-W10 de módulos MCU de u-blox ofrece una solución integrada diseñada para hacer frente a los desafíos emergentes del diseño IoT avanzado. Al abordar la coexistencia multiprotocolo, la eficiencia de la red y la protección del código y los datos a nivel de módulo, la serie IRIS-W10 proporciona a los ingenieros una base fiable para desarrollar dispositivos conectados que puedan pasar del prototipo a la certificación y la implementación con menos incógnitas.

Cómo la arquitectura modular IRIS-W10 satisface las demandas emergentes

La serie IRIS-W10 es un sistema inalámbrico completo (figura 1) que integra procesamiento de alto rendimiento, subsistemas de radio multibanda, memoria Flash eXecute-In-Place (XIP) y seguridad basada en hardware para formar una plataforma autónoma para construir productos IoT avanzados.

Figura 1: Empaquetada en un módulo compacto con certificación mundial, la serie IRIS-W10 combina una MCU de alto rendimiento con radios multibanda, memoria Flash, seguridad basada en hardware y una antena interna (mostrada aquí) o una salida de señal de radiofrecuencia para una antena externa. (Fuente de la imagen: u-blox)

Basados en las MCU inalámbricas RW612 y RW610 de NXP, que integran un núcleo Arm® Cortex®-M33 y un subsistema multiradio, los módulos IRIS-W10 combinan un procesamiento de alto rendimiento con múltiples opciones de conectividad, incluyendo Wi-Fi 6 de doble banda (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax), BLE 5.4 y Matter sobre Wi-Fi. Las variantes construidas sobre la MCU RW612 son compatibles además con IEEE 802.15.4, Thread y Matter over Thread.

Las dos familias de la serie IRIS-W10 satisfacen distintas necesidades de integración: Los módulos IRIS-W106 integran una antena de placa de circuito impreso (placa ci), mientras que los módulos IRIS-W101 sacan la señal de radiofrecuencia para instalaciones que requieren configuraciones de antena externa. Dentro de cada familia, los miembros específicos admiten diferentes requisitos de memoria y conectividad, como se indica a continuación:

• Los módulos basados en RW610 (IRIS-W106-30B e IRIS-W101-30B) incluyen 8 megabytes (Mbytes) de memoria Flash.
• Los módulos basados en RW612 proporcionan 8 Mbytes (IRIS-W106-00B e IRIS-W101-00B) o 16 Mbytes (IRIS-W106-10B e IRIS-W101-10B) de memoria Flash, así como conectividad basada en IEEE 802.15.4, como ya se ha mencionado.

La arquitectura coherente de estos módulos permite a los desarrolladores escalar sus diseños existentes con mayor facilidad, satisfaciendo nuevos requisitos. De hecho, cualquiera de estos módulos puede funcionar como un host independiente (figura 2a) en diseños construidos para un consumo y una huella mínimos o como un procesador complementario de un host independiente (figura 2b) en diseños con requisitos funcionales más complejos.

Figura 2: Los módulos IRIS-W10 satisfacen una amplia gama de requisitos de aplicación, que van desde los que necesitan un procesador autónomo (a) para minimizar la potencia y el espacio ocupado hasta los que necesitan que el módulo sirva como procesador complementario de un host para obtener una funcionalidad adicional (b). (Fuente de la imagen: u-blox)

Con sus múltiples opciones de conectividad, la serie ayuda a garantizar una comunicación fiable en entornos de radiofrecuencia congestionados. El uso que hace Wi-Fi 6 del acceso múltiple por división ortogonal de frecuencias (OFDMA) y de la programación de la hora de activación objetivo (TWT) mejora la eficacia del canal en estos entornos, mientras que el salto de frecuencia adaptativo (AFH) de BLE minimiza las interferencias. La capacidad IEEE 802.15.4 amplía la conectividad a las redes Thread para lograr una malla de baja potencia y la interoperabilidad Matter. Dado que las distintas tecnologías de RF nunca están activas simultáneamente, las radios de los módulos comparten una única cadena de RF y funcionan de forma secuencial, utilizando un conmutador de RF interno para dirigir el tráfico de radio a la antena compartida o a la salida de RF.

Mientras que la disponibilidad de múltiples protocolos de conectividad se ha convertido en algo esencial para un número creciente de aplicaciones IoT, dichas aplicaciones requieren cada vez más la capacidad de garantizar la seguridad de las transacciones de comunicaciones dentro de un entorno operativo de confianza. Para cumplir estos requisitos de seguridad, los módulos de la serie IRIS-W10 incorporan una raíz de confianza de hardware. La seguridad de las aplicaciones comienza con un arranque seguro desde una memoria no volátil validada o fuentes USB utilizando un cargador de arranque seguro conservado en la memoria de sólo lectura (ROM) integrada de la MCU. La base de la seguridad de las aplicaciones descansa en un entorno de ejecución de confianza basado en Arm TrustZone-M.

Las características de seguridad adicionales incluyen los elementos críticos necesarios en cualquier cadena de seguridad, como un motor criptográfico de hardware, memoria Flash encriptada e interfaces de depuración protegidas, que salvaguardan la autenticidad del firmware y los datos operativos. A nivel de aplicación, estas funciones de seguridad permiten la autenticación WPA2/WPA3, la seguridad empresarial Wi-Fi, el cifrado Transport Layer Security (TLS), HTTPS y el emparejamiento de conexión segura BLE. Juntos, estos mecanismos establecen una base segura tanto para la integridad del firmware como para la protección de las comunicaciones. Con sus protecciones estrechamente integradas, estos módulos mejoran la ciberseguridad de las aplicaciones sin necesidad de dispositivos de seguridad discretos adicionales.

Al integrar procesamiento de alto rendimiento, radio multiprotocolo y seguridad basada en hardware en un paquete certificado a nivel mundial, la serie IRIS-W10 ayuda a los desarrolladores a satisfacer las demandas combinadas de rendimiento, interoperabilidad y cumplimiento normativo. Para la implementación de dispositivos IoT avanzados, esta arquitectura integrada proporciona una sólida base técnica para el rápido desarrollo de aplicaciones IoT personalizadas utilizando un completo conjunto de kits de evaluación (EVK) y herramientas de desarrollo de u-blox.

Acelerar el desarrollo de diseños IoT avanzados

Diseñados para complementar el hardware de la serie IRIS-W10, los EVK de u-blox y los recursos de software asociados permiten a los desarrolladores progresar eficazmente desde la evaluación hasta el diseño de la aplicación. Juntos, estos recursos ayudan a los desarrolladores a examinar el rendimiento de los módulos, verificar el comportamiento de la radio y construir dispositivos personalizados.

Para la evaluación inicial y la creación de prototipos, la herramienta de evaluación USB-IRIS-W1 de u-blox permite a los desarrolladores explorar rápidamente las capacidades del módulo IRIS-W10. Este kit integra un módulo IRIS-W106, controles básicos de interfaz de usuario (UI) y múltiples interfaces en una placa CI de pequeño formato equipada con un conector USB de tipo A (figura 3). El USB-IRIS-W1 viene precargado con una aplicación de interfaz de línea de comandos (CLI) Wi-Fi, lo que permite a los desarrolladores conectarlo a un puerto USB de su estación de trabajo y comenzar inmediatamente a evaluar las capacidades Wi-Fi del módulo.

Figura 3: Construida en torno a un módulo IRIS-W106 previamente flasheado, la placa USB Tipo-A compacta USB-IRIS-W1 está diseñada para proporcionar un inicio rápido para la evaluación de las capacidades del módulo a través de múltiples interfaces, controles básicos de interfaz de usuario y puntos de prueba. (Fuente de la imagen: u-blox)

Mientras que el kit USB-IRIS-W1 ofrece una herramienta de inicio rápido para la puesta en marcha del módulo y la evaluación CLI, el kit de evaluación EVK-IRIS-W1 de u-blox (figura 4) proporciona una plataforma independiente más completa para evaluar cada módulo, adquirir experiencia con sus funciones y ampliar sus capacidades. Este kit incluye la placa EVK-IRIS-W106 con un módulo IRIS-W106-10B o la placa EVK-IRIS-W101 con un módulo IRIS-W101-10B. Junto con la placa correspondiente, el kit incluye un conector Ethernet RJ45, un cable USB y una antena con conector U.FL (sólo para la EVK-IRIS-101).

Cada placa expone múltiples interfaces de módulo, incluyendo puertos UART, SPI, I²C y USB. Además, la placa proporciona LED, controles de interfaz de usuario básicos, cabezales de medición de potencia, un conector de depuración de 10 patillas y cuatro conectores mikroBUS (MikroElektronika) para ampliar las capacidades de la placa.

Figura 4: El kit de evaluación EVK-IRIS-W1 proporciona una completa plataforma de hardware para el desarrollo, que expone las interfaces del módulo IRIS-W10 para el desarrollo de aplicaciones, el análisis de potencia y la expansión funcional. (Fuente de la imagen: u-blox)

Los desarrolladores pueden poner en marcha rápidamente la placa suministrando energía a través de cualquiera de sus cuatro entradas de alimentación de 5 V_CC, incluyendo:

• el puerto USB del IRIS-W10 proporcionado por un periférico USB
• el puerto de depuración/UART
• el puerto USB MCU-LINK
• el cabezal de potencia

El EVK-IRIS-W106 y el EVK-IRIS-W101 vienen cada uno con una imagen de demostración precargada que permite la evaluación inmediata de Wi-Fi 6 y BLE tras el encendido. El firmware del módulo permite a los ingenieros medir el rendimiento y la latencia, evaluar el consumo de energía e inspeccionar los registros de configuración a través de la consola en serie. Utilizando las cabeceras de medición de potencia de los EVK, los desarrolladores pueden cuantificar el consumo de corriente durante varios estados de comunicación para validar las compensaciones de rendimiento energético en diseños que deben cumplir requisitos de bajo consumo o de funcionamiento con batería.

Múltiples recursos de software ayudan a simplificar el desarrollo de aplicaciones

Para el desarrollo de aplicaciones personalizadas, la serie IRIS-W10 sigue un modelo operativo de CPU abierta, que u-blox respalda con su repositorio Open CPU de código de referencia de código abierto diseñado para ejecutarse en los EVK. En este modelo operativo, el procesador modular está disponible para ejecutar aplicaciones personalizadas creadas con el kit de desarrollo de software (SDK) MCUXpresso de NXP o Zephyr, y se desarrolla utilizando entornos de desarrollo integrados (IDE) y cadenas de herramientas populares, como el MCUXpresso IDE de NXP, la colección de compiladores de GNU (GCC) o Embedded Workbench de IAR.

El SDK de NXP ofrece un completo conjunto de bibliotecas, pilas de conectividad, utilidades de apoyo y código de referencia para el desarrollo de aplicaciones basadas en MCU de NXP. En un entorno de ejecución, la arquitectura modular del SDK ayuda a garantizar el aislamiento de las capas y controladores dependientes del hardware de la lógica de aplicación de nivel superior.

Haciendo referencia al código de muestra en el repositorio de código y el SDK de Open CPU, los desarrolladores pueden implementar rápidamente el firmware personalizado necesario para dar soporte a los requisitos exclusivos de su aplicación IoT. Para cargar su firmware personalizado, los kits de evaluación EVK-IRIS-W1 y USB-IRIS-W1 admiten el flasheo del firmware a través de un depurador externo. Además, las placas del kit EVK-IRIS-W1 admiten actualizaciones de firmware a través de su depurador integrado, mientras que la USB-IRIS-W1 admite actualizaciones de firmware a través del puerto UART utilizando la aplicación host del cargador de arranque de MCU de NXP. Para pruebas y depuración continuas, ambos kits admiten interfaces JTAG y SWD estándar a través de los puertos integrados.

Dado que todos los activos de hardware, software y certificación siguen siendo coherentes en todas las variantes de los módulos, no es necesario realizar grandes retoques en el diseño para ampliar un diseño existente a fin de que admita memoria o protocolos de comunicación adicionales. Una vez finalizados los diseños, los desarrolladores utilizan los mismos módulos IRIS-W10 y el entorno de desarrollo para pasar a la producción. Por último, la certificación global de todos los módulos IRIS-W10 simplifica la integración del producto final y la documentación reglamentaria en las regiones objetivo.

Al combinar un hardware certificado a nivel mundial, un SDK versátil y un código de referencia bien documentado, el ecosistema de la serie IRIS-W10 de u-blox permite a los desarrolladores implementar dispositivos IoT multiprotocolo seguros con mayor rapidez.

Conclusión

Satisfacer la creciente demanda de conectividad segura y multiprotocolo en los dispositivos IoT sigue planteando importantes desafíos a la hora de lograr un bajo consumo de energía, un sólido rendimiento inalámbrico y una certificación global dentro de unos ajustados calendarios de desarrollo. La serie IRIS-W10 de u-blox combina procesamiento integrado, conectividad multiradio y seguridad integrada dentro de una plataforma modular certificada a nivel mundial. Mediante el uso de kits de evaluación de hardware y recursos de software optimizados para los módulos IRIS-W10, los desarrolladores pueden evaluar, crear prototipos e implementar rápidamente sistemas IoT seguros e interoperables de forma eficiente. A medida que los ecosistemas inalámbricos multiprotocolo continúan expandiéndose, la serie IRIS-W10 proporciona una base escalable capaz de adaptarse a los estándares emergentes y a las demandas de las aplicaciones.