Low Power devices - Integració en sistemes IoT

Introducció

Tots els qui ens dediquem a l'electrònica, les telecomunicacions o la tecnologia de la informació (TI), coneixem la famosa llei de Moore, que preveia la duplicació del nombre de transistors en un microcontrolador i que ha anat encertant any rere any, portant aquest nombre fins als 50 bilions de transistors on ens trobem ara, al 2023, partint dels pocs milers de la dècada dels setanta.

Una progressió logarítmica que ha obert un seguit de noves possibilitats de computació i processament, portant l'Edge i els dispositius portàtils a un altre nivell de capacitats.

Però aquestes capacitats de computació tenen un requisit immutable fins ara (i crec que també en el futur): l'energia. Sense ella, no hi ha processament, no hi ha comunicació, no hi ha dades. Per tant, no és cap bogeria posar en 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 de bon tros vides paral·leles.

Les bateries modernes neixen al segle XIX, mentre que els transistors, tal com els coneixem, es van desenvolupar a la dècada dels 70. Per tant, les bateries tenien 130 anys "d'avantatge". Els transistors han multiplicat el seu nombre per 50 milions, mentre que la densitat d'energia (Wh/l) només ha augmentat en 250 vegades.

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

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

Ecosistema Low Power

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

La necessitat de disposar de sistemes amb una llarga durada, especialment en entorns de monitorització, sensorització i control d'elements i dispositius físics, ha portat a l'aparició de diverses tecnologies que permeten la seva implementació. Bàsicament, les categoritzem en funció de com es connecten a Internet o altres dispositius. Així, trobem aquells que tenen 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, tot i que el seu rang d'operació també és 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 volums de transferència també diversos, però són sistemes llicenciats, pel que necessiten d'una subscripció o targeta SIM.

I, d'altra banda, els mecanismes que requereixen d'una passarel·la 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 en quant a rang, amplada de banda i seguretat.

• ZigBee: Amb la capacitat de crear xarxes de tipus mesh, la comunicació entre dispositius i amb la passarel·la permet la connexió a Internet, amb consums molt baixos i un gran rang de comunicacions, però amb amplades de banda reduïdes i una gestió de xarxa complexa.

• LoRaWAN: Amb la connexió al gateway, aquests dispositius de molt baix consum poden connectar-se a Internet i compten amb uns rangs de comunicació molt grans, a costa de tenir amplades de banda molt reduïdes.

• Sub-GHz: Consums extremadament baixos i rangs de comunicació considerables, però amb amplades de banda molt limitades i regulacions variables en quant a l'espectre radioelèctric segons els països, per a la comunicació de dades a través d'una passarel·la cap a Internet.

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

Edge o no Edge

A excepció dels casos de cel·lular i wifi, la integració de sistemes Low Power, en molts casos, ha de comptar amb dispositius Edge per connectar les dades a Internet. En aquests casos, les Passarel·les 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'aquestes.

Els equips capaços de realitzar la connexió directa a Internet (Wi-Fi o cel·lular) 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 a 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 utilitzen en molts casos per gestionar el cicle de vida dels dispositius connectats, per a l'onboarding, l'actualització de Firmware (FOTA), així 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 necessària no només per arquitectura sinó per les limitacions quant a capacitats de gestió dels propis dispositius.

Integració de l'IoT

La cada vegada més important estandardització de protocols està permetent que tant els dispositius com les plataformes de l'IoT comptin amb la compatibilitat necessària per a la integració de qualsevol tipus de dispositiu i protocol. A més, 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 passarelles 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 l'Hub a la núvol d'AWS basat en IP, això permet la comunicació de balises d'emergència de HelpFlash, connectades a la xarxa de Vodafone, i dur 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 tenen la versatilitat de dimensionar aquesta capa per proporcionar-los capacitats de processament i interoperabilitat pràcticament infinites. Per exemple, podem connectar mitjançant una passarel·la amb base a Linux nombrosos dispositius Bluetooth de baix consum de Roca, permetent la gestió del cicle de vida, l'actualització, la bidireccionalitat per al control dels dispositius i el processament de les dades per optimitzar els paquets d'informació cap a la núvol. A més, permet incorporar una capa addicional de seguretat que limita tant l'accés com la propagació de possibles atacs a la xarxa.

En resum, la elecció del dispositiu, la connectivitat i el protocol són 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 dels dispositius (per al canvi de bateries, per exemple), l'abast de les comunicacions necessàries, així com l'ample de banda requerit per a la transmissió de les dades, juntament amb la disponibilitat d'infraestructura de comunicacions i xarxa, en funció de la ubicació dels dispositius, condicionen la elecció de l'arquitectura més favorable per aconseguir un retorn d'inversió positiu i un model d'explotació viable.