Redes de sensores en instalaciones de automatización industrial heredadas con una puerta de enlace multiprotocolo LoRaWAN

A medida que la Internet industrial de las cosas (IIoT) continúa expandiéndose, también lo hacen los tipos de tecnologías de redes que se utilizan para conectar diferentes sistemas. Para la conexión en red por cable, Ethernet (y su variante de Ethernet industrial) es la interfaz más común, ya que es versátil y puede ejecutar una serie de protocolos diferentes. Para los datos inalámbricos de alta velocidad, el Wi-Fi se ha convertido en el estándar para una red rápida y fiable, mientras que el Bluetooth se utiliza para algunos sensores y para configurar los equipos.

Sin embargo, Bluetooth funciona en la banda de 2.45 gigahercios (GHz), mientras que Wi-Fi funciona tanto en la banda de 2.45 GHz como en la de 5 GHz. Como resultado, las pesadas paredes utilizadas en la construcción de edificios heredados pueden reducir significativamente el alcance de las transmisiones Wi-Fi y Bluetooth, en comparación con radios como LoRaWAN que operan en las bandas de sub-GHz. Esto compromete la conectividad de los sensores y por lo tanto aumenta el costo, ya que es necesario desplegar más puntos de acceso o agregación en una instalación para evitar que los dispositivos pierdan una conexión inalámbrica.

Este artículo explica por qué puede ser necesario añadir la conectividad del sensor LoRaWAN en instalaciones de automatización industrial que ya tienen Wi-Fi y Bluetooth. Examina las ventajas de la LoRaWAN en los edificios más antiguos y en los entornos de legado que deben adaptarse para la automatización industrial y la gestión de edificios. Luego mira dos puertas de enlace LoRaWAN de Multi-Tech Systems que pueden manejar fácilmente la red de datos Wi-Fi, la conectividad de los sensores LoRaWAN, y la conectividad Bluetooth, manteniendo la compatibilidad hacia atrás.

Cómo añadir conectividad inalámbrica en edificios antiguos

La expansión del IIoT ha dado como resultado que algunos edificios heredados se encarguen de la red del IIoT. Sin embargo, estos edificios más antiguos fueron construidos años antes de que nadie se preocupara por transmitir datos de forma inalámbrica a través del edificio. Las paredes, los pisos y los techos suelen tener malla de acero, barras de acero y vigas de acero pesadas como refuerzo que bloquean eficazmente las señales de radio de alta frecuencia, bloqueando el acceso de la red a algunos equipos.

En algunos casos, la conectividad a través de una pared puede ser adecuada hasta que se coloque un montacargas u otro equipo pesado cerca de la pared y se bloquee temporalmente la conectividad. Esto presenta un problema para los protocolos inalámbricos de alta frecuencia como Wi-Fi y Bluetooth. El diagnóstico de estas situaciones de conectividad intermitente es la pesadilla de un técnico de redes.

Como resultado, estos edificios pueden requerir enrutadores, conmutadores de red y puertas de enlace adicionales en las instalaciones. Esto aumenta la complejidad de la red, al tiempo que añade preocupaciones sobre el costo, el mantenimiento y la interoperabilidad.

La situación es especialmente problemática para los sensores remotos, que pueden estar situados a cientos de metros de distancia de la puerta de enlace o del enrutador. Sin embargo, algunos sensores, como los sensores ambientales, no necesitan transmitir constantemente su estado a través de una red inalámbrica de alta velocidad y pueden utilizar fácilmente las frecuencias de sub-GHz sin que se produzcan cuellos de botella en la red ni condiciones de carrera.

Para estas situaciones, el protocolo inalámbrico LoRaWAN de baja potencia de sub-GHz es una opción fiable. LoRaWAN transmite en la gama de frecuencias de 902 a 928 megahercios (MHz) en los EE. UU. y de 863 a 870 MHz en la UE. Apunta a los sensores de baja potencia y baja velocidad de datos que no necesitan conexiones de datos constantes. Más importante aún, las bandas de frecuencia de operación más bajas de LoRaWAN la hacen apropiada para edificios antiguos con gruesas paredes reforzadas, ya que la señal transmitida pasa fácilmente a través de la madera, los paneles de yeso, el hormigón y el acero.

Sin embargo, si la instalación industrial utiliza Wi-Fi, Bluetooth y LoRaWAN, es importante integrar los tres protocolos de manera que se garantice la fiabilidad y la interoperabilidad, al tiempo que se reducen los costos de mantenimiento.

Configuración de IIoT LoRaWAN

Por lo general, las señales de Wi-Fi se conectan al centro de una instalación industrial a través de un conmutador o enrutador de red, que traduce los datos a través de Ethernet alámbrica. Esta traducción es relativamente fácil porque Wi-Fi y Ethernet son protocolos compatibles. Sin embargo, LoRaWAN no es compatible con Ethernet, así que los datos no pueden ser simplemente pasados. En cambio, para que los datos de LoRaWAN lleguen al centro, los datos inalámbricos de LoRaWAN deben ser recibidos primero por una puerta compatible. Una puerta de enlace compatible con LoRaWAN está configurada para reenviar los datos a través de una conexión de backhaul a un centro de Windows o Linux que ejecute la aplicación LoRaWAN Network Server (LNS). El LNS procesa los datos y los expone al sistema operativo del centro mediante interfaces de programación de aplicaciones (API) disponibles para el software de aplicación.

Una pasarela multiprotocolo LoRaWAN diseñada para instalaciones industriales sólidas es la pasarela multiprotocolo MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems (Figura 1). La puerta de enlace se dirige a entornos industriales y puede funcionar a temperaturas de -30 °C a +70 °C, y a una humedad relativa de hasta el 90% (sin condensación).

El MTCDT-247A-915-US-EU-GB está configurado para las frecuencias de LoRaWAN USA y no puede ser usado en otras regiones. El MTCDT-247A-915-US-EU-GB soporta Wi-Fi, Bluetooth y LoRaWAN.

Figura 1: La puerta de enlace MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems es un enrutador Wi-Fi y una puerta de enlace LoRaWAN para entornos industriales. Opera en las frecuencias de USA LoRaWAN de 902 a 928 MHz y también soporta la conectividad Bluetooth. (Fuente de la imagen: Multi-Tech Systems)

Esta puerta de enlace Conduit soporta la red LoRaWAN en la banda de 915 MHz de EE. UU. La puerta de enlace utiliza una interfaz basada en un navegador para configurar el reenviador de paquetes LoRaWAN para que apunte al LNS. Los sensores LoRaWAN situados en el interior de la instalación industrial pueden conectarse fácilmente a una pasarela de conductos a muchos cientos de metros de distancia, incluso a través de las paredes y suelos de hormigón armado de acero que se encuentran en los edificios más antiguos. Sin embargo, incluso los edificios modernos tendrán puntos oscuros, lugares donde las señales inalámbricas no llegan. Esto es siempre un problema para los grandes edificios y no puede ser evitado. Por esta razón, se recomienda tener al menos dos puertas de enlace LoRaWAN para asegurar una cobertura completa. La aplicación LNS resuelve cualquier problema cuando se reciben paquetes de datos idénticos de dos o más puertas de enlace de conductos.

La interfaz del navegador también puede ser usada para configurar el punto de acceso Wi-Fi. El MTCDT-247A-915-US-EU-GB puede proporcionar puntos de acceso Wi-Fi para una instalación industrial a 2.45 GHz y a 5 GHz para los protocolos 802.11a/b/g/n. Una antena Wi-Fi está incluida con la entrada.

La interfaz del navegador también puede configurar el punto de acceso Bluetooth para la conexión a dispositivos Bluetooth compatibles. Bluetooth Classic es compatible con dispositivos Bluetooth de alta velocidad de datos siempre activos. Para los dispositivos Bluetooth alimentados por batería, como tabletas, portátiles y algunos sensores, se admite el Bluetooth LE 4.1.

La conexión de red y el backhaul al servidor principal es por cable 10/100BaseT Ethernet desde un conector RJ45 en la parte posterior.

El MTCDT-247A-915-US-EU-GB también apoya el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS). Esto puede utilizarse para el posicionamiento global, pero lo más importante es que el GNSS proporciona una base de tiempo precisa para los sellos de tiempo de los paquetes de LoRaWAN, lo cual es requerido por el estándar de LoRaWAN para asegurar la sincronización de los mensajes.

El MTCDT-247A-915-US-EU-GB combina la conectividad de USA LoRaWAN, Wi-Fi, y el centro de Bluetooth en una sola puerta de enlace, proporcionando un punto central de mantenimiento para los tres protocolos inalámbricos y simplificando la conectividad de la red. El portal está diseñado para que los tres protocolos no interfieran entre sí.

Para su uso en la UE, Multi-Tech Systems suministra la pasarela MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB, que es idéntica a la versión estadounidense, excepto que funciona en la banda LoRaWAN de 868 MHz de la UE, de 863 a 870 MHz, y además admite la conectividad celular 4G-LTE para el backhaul. Para un funcionamiento rentable en zonas no atendidas por las normas celulares modernas, la pasarela también puede enviar datos a través de las redes 3G-HSPA+ y 2G-GPRS. Multi-Tech Systems especifica que esta puerta de enlace es compatible con todas las redes celulares de la UE.

El MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB viene con una selección de adaptadores compatibles con la mayoría de las tomas de corriente de la UE. También incluye una antena Wi-Fi, una antena GNSS y dos antenas celulares (Figura 2).

Figura 2: La puerta de enlace MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems admite la conectividad LoRaWAN en los países de la UE en la banda de 868 MHz, mientras que también soporta la conectividad de retroceso celular 4G-LTE. Viene con una selección de adaptadores de corriente alterna europeos que son compatibles con la mayoría de los países. (Fuente de la imagen: Multi-Tech Systems)

Para enviar datos de LoRaWAN a un LNS a través de una red 4G-LTE, cada puerta enlace requiere una tarjeta SIM estándar que contiene la red inalámbrica, el número de teléfono y la información del abonado.

El MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB tiene un soporte de tarjeta SIM en la parte delantera de la unidad, detrás de la placa de identificación. Para proteger la tarjeta SIM de la sustitución casual por actores malintencionados, un tornillo asegura la placa de identificación en su lugar (Figura 3). Para mayor seguridad, el portal debe mantenerse en un lugar cerrado con llave al que no puedan acceder usuarios no autorizados. Es importante asegurarse de que el lugar no esté rodeado de una caja metálica, lo que dificultaría las señales de Bluetooth y Wi-Fi.

Figura 3: La pasarela MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB tiene un puerto de tarjeta SIM al que se accede quitando la placa de identificación, que se asegura con un pequeño tornillo. (Fuente de la imagen: Multi-Tech Systems)

Cada puerta de enlace de Conduit LoRaWAN de Multi-Tech Systems que admite un backhaul 4G-LTE requerirá la compra de una tarjeta SIM con un plan de datos apropiado de un operador de telefonía móvil. Una tarjeta SIM y un plan de datos celulares para una puerta de enlace de conductos puede ser convenientemente comprada en DigiKey. Se dispone de planes con capacidades de datos de 300 kilobytes (Kbytes) a 5 gigabytes (Gbytes) por mes.

La puerta de enlace Cunduit de Multi-Tech Systems proporciona un fácil punto central de acceso para cuatro protocolos de conectividad inalámbrica más GNSS, todo en una sola unidad. Para el personal de mantenimiento esto permite que todas las redes inalámbricas se configuren fácilmente desde un solo lugar, ahorrando tiempo y aumentando la fiabilidad. Esto también elimina los conflictos que podrían producirse si se utilizaran enrutadores y puertas de enlace separados.

Conclusión

Las redes inalámbricas son cada vez más útiles para la automatización industrial a medida que las plantas y fábricas adoptan las prácticas del IIoT. Para estas aplicaciones, ya existe un rico ecosistema de dispositivos que admiten Wi-Fi y Bluetooth para una variedad de aplicaciones, a menudo operando a través de diferentes bandas de frecuencia. Como se ha descrito, añadir la conectividad del sensor LoRaWAN con su funcionamiento en sub-GHz en instalaciones de automatización industrial que ya tienen Wi-Fi y Bluetooth puede mejorar la fiabilidad, especialmente en instalaciones más antiguas con paredes reforzadas de acero. El uso de una puerta de enlace que soporta todos estos protocolos ahorra tiempo y costes de configuración, a la vez que mejora la compatibilidad y la fiabilidad.