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Guía de diseño de hardware para proyectos IoT

No hay sustituto a la comprensión profunda de los requisitos de los dispositivos, si aspiras a tener hardware robusto para tu próximo proyecto IoT. En el diseño de hardware, todo se reduce a una clara comprensión de los requisitos comerciales del cliente. Hay que cuidar los detalles minuciosos de la especificación de los componentes y los datos y asegurarse de que corresponden al objetivo final. No deberías estar vendiéndole un elefante cuando te pide un pez. Antes de comenzar con el diseño de hardware de un proyecto IoT, hay que asegurarse de que el equipo tenga todas las respuestas para las siguientes consideraciones importantes de diseño de hardware:
  • ¿Cuáles son las señales físicas que deben ser medidas?
  • ¿Con qué frecuencia necesitamos recoger las señales y con qué rapidez deben intercambiarse los datos a través de la red?
  • ¿Deben conectarse los sensores a la nube directamente o a través de un dispositivo de entrada?
  • ¿Cuánta memoria se requiere?
Puedes tomar este resumen como una guía hacia la dirección correcta para la búsqueda de aspectos críticos de diseño de hardware y conseguir tu propósito. Esta entrada te puede servir como una Guía de Diseño de Hardware para sus proyectos IoT (Internet de las Cosas). ¡Continúa leyendo para obtener más detalles!

Factores críticos para el diseño de hardware de los nodos IoT

Un nodo IoT consiste en un dispositivo sensor, un microcontrolador, interfaces de comunicación, un módulo de administración de energía y otros periféricos. Discutamos las decisiones críticas de diseño de hardware que puede tener que tomar y los factores que influyen en el diseño: El primer paso es la evaluación y selección de un sensor apropiado. Aquí están los factores/especificaciones que influirán en su decisión Resolución del sensor: Determina la medición más pequeña que un tipo particular de sensor puede detectar con fiabilidad.

Tipo de sensores requeridos

Se puede integrar un sensor digital o analógico en el diseño del hardware. Si se utiliza un sensor analógico, también se deben considerar componentes para el acondicionamiento y el procesamiento de señales en el diseño. En tales casos, el circuito del sensor también tendrá que incluir un convertidor analógico-digital (ADC) o un modulador Sigma-Delta. Es normal que los nodos dentro de una red IoT transmitan de 8 a 16 decimales de datos en una millonésima de segundo. Y la elección de un sensor con el rendimiento de datos requerido es esencial para una operación eficiente.

Microcontroladores

La selección de un microcontrolador de grado industrial se hace después de una cuidadosa evaluación de los requerimientos de la empresa (tiempo y costo del diseño del proyecto) y los factores funcionales que incluyen:

Algoritmos

Un microcontrolador utiliza cierto algoritmo como el de "generación de números aleatorios" para procesar los datos de los sensores en formato analógico o digital. Por lo tanto, es necesario evaluar el algoritmo soportado por el microcontrolador en particular antes de elegirlo.

Seguridad

El uso de un microcontrolador con motores de cifrado por hardware incorporado, como los motores de Estándar de Cifrado de Datos (DIS) y Estándar de Cifrado Avanzado (AES), ayuda a garantizar una transmisión segura de los datos de los nodos de los sensores a la red de IO.

Consumo de energía

Elegir microcontroladores de baja potencia ayuda a optimizar el consumo general de energía. Se pueden evaluar los microcontroladores diseñados específicamente para aplicaciones de ultra baja potencia, como el microcontrolador inalámbrico TI MSP430 o CC2650.

Interfaces de comunicación

La mayoría de las aplicaciones IoT requieren sensores que usan módems de comunicación inalámbrica de baja potencia como NB-IoT, LoRaWAN, 4G LTE Cat-M1 para la comunicación.

Administración de la energía

Los nodos de los sensores están diseñados para durar años. Y esto depende de la fuente de energía de los nodos sensores. Uno puede elegir baterías de baja potencia como la batería de iones de litio CR2032 de célula de moneda, ya que produce un voltaje constante, es de bajo costo y ofrece una vida útil de la batería de más de 10 años. Además, se puede integrar un nano-temporizador como el TPL5110 para optimizar el consumo de energía, ya que los nodos sensores cambian entre el modo de despertar y el de dormir.

Sensores IoT

Puede leer más sobre algunos tipos comunes de sensores (IR, sensores de proximidad, etc) usados en sistemas de automatización industrial aquí.

Factores relacionados con el hardware que influyen en el diseño de tu gateway IoT

Un gateway IoT puede ser un simple dispositivo de entrada que ejecuta funciones básicas como la compatibilidad de protocolos y la administración de dispositivos o un dispositivo de entrada con computación en el borde avanzado con capacidades adicionales de análisis de datos. Por lo tanto, el diseño del hardware de una pasarela IoT dependerá en gran medida del tipo de funciones que se espera que realice. He aquí un vistazo a algunos parámetros comunes de diseño de hardware que influirán en el desarrollo de su gateway

Microcontolador v/s Microprocesador

Un gateway IoT con microcontrolador es ideal para una aplicación de pequeña a mediana escala, mientras que puede necesitar una pasarela con un procesador, si la pasarela tiene que realizar funciones más complejas como el análisis y el almacenamiento de datos.

Consumo de energía

Esto dependerá de la complejidad de tu hardware IoT y de los requerimientos de energía de otros componentes del circuito. Por ejemplo, si tu diseño consiste en un número de dispositivos externos como pantallas de visualización, cámara - el consumo general de energía podría aumentar.

Energía de fuentes renovables

Si tu dispositivo está siendo alimentado por fuentes de energía renovable como la solar, tu diseño tendrá componentes adicionales. Por ejemplo, necesitarías como convertidores solares de 2 etapas (convertidores basados en MPPT y convertidores DC-DC / DC-AC), integrado de gestión de energía que sean compatibles con los paneles solares para cargar suficientemente tus dispositivos.

Procesamiento de energía y sistema operativo

Esto se convierte en un factor crítico si se despliega la puerta de enlace con capacidades de análisis de bordes. Esto se debe a que para el procesamiento de datos, el diseño de la pasarela IoT debe incluir la cantidad necesaria de memoria, y un procesador multinúcleo. El Sistema Operativo elegido debe tener una mayor tasa de cambio de contexto y una tasa de respuesta en tiempo real.

Memoria

La mayoría de los dispositivos de pasarela utilizados en los sistemas IoT críticos, como la automatización industrial y la gestión de flotas, se basan en controladores en tiempo real y programadores en tiempo real. En estos casos, los datos se almacenan en la memoria RAM. Otros tipos de memoria utilizados en un dispositivo de puerta de enlace IoT inteligente incluirán NOR Flash, Flash boot . Como se mencionó anteriormente, el requisito de memoria en el diseño aumenta si se espera que el dispositivo de pasarela IoT realice el procesamiento y el análisis de datos.

Módulos de comunicación/redes

Dentro de una red IoT, los dispositivos o sistemas (sensores, pasarelas, dispositivos finales) pueden comunicarse ya sea a través de un canal de comunicación inalámbrico (Bluetooth, Wi-Fi, celular) o una conexión por cable. Tu diseño IoT tendrá que incluir módulos de comunicación inalámbrica cuando los dispositivos/sistemas estén ubicados muy cerca y haya poco margen para establecer las instalaciones de hardware requeridas por una conexión alámbrica. (instalación de cables de ethernet, enrutadores, etc.) .
Interfaz de comunicación Tipo de comunicación inalámbrica
Dispositivo - Gateway NBIoT, ZigBee, Bluetooth
Dispositivo - Nube WiFi, Celular(4G), 6LowPan, LoRa
Una comunicación por cable se suele desplegar para las comunicaciones de largo alcance. Ethernet, con una velocidad media de 10 Mbps, es uno de los protocolos de comunicación por cable más utilizados para conectar dispositivos para aplicaciones como la automatización industrial. Fast Ethernet (IEEE 802.3u) y Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) con velocidades de transmisión de 100Mbps y 1000Mbps son algunas de las interfaces de conexión por cable más utilizadas. Muchas de las placas de hardware IoT estándar como Raspberry Pi, Arduino, Beagle Bone están integradas con un conjunto de interfaces de comunicación (UART, USB, Bluetooth, Wi-Fi, puerto Ethernet). También puedes crear una placa de hardware personalizada en la que incluyas sólo las interfaces de comunicación seleccionadas que tu proyecto necesita. Espero que te haya gustado esta página. Si estás buscando un apoyo más detallado y personalizado para el diseño de proyectos IoT, por favor ponte en contacto con nuestros expertos en ingeniería de productos.  
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