IoT y comunicaciones pasivas

(Més avall trobareu la versió en català d’aquest contingut.)

El crecimiento del Internet de las Cosas (IoT, de la forma inglesa Internet of Things) ha comportado una revolución en la cantidad y diversidad de dispositivos capaces de transmitir datos o conectarse a internet.

Internet of Things - IOT comunicaciones pasivas UOC

Una de las características principales de los dispositivos IoT se fundamenta en el compromiso entre tres factores:

Consumo de energía
Distancia de comunicación
Ancho de banda (directamente relacionado con la cantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo).

Pensemos, por ejemplo, en un sensor que en lugar de transmitir una medida cada hora, lo hace en cada segundo. Si se quiere ampliar la cantidad de bits a transmitir, generalmente se deberá reducir la distancia de comunicación, o si esto no es posible, ampliar la cantidad de energía que consume el dispositivo.

De hecho, una de las problemáticas principales de los dispositivos IoT es la provisión de energía, ya que habitualmente se realiza mediante baterías. A un mayor consumo de energía, la vida de las baterías se acorta, necesitando cambiarlas con mayor frecuencia. Esta problemática se agrava si el volumen de dispositivos es muy grande. Así, el cambio de baterías se convertiría en un gran coste, además de una posible fuente de errores.

Una solución en estos casos la podemos encontrar en las comunicaciones pasivas. Estas se caracterizan por el hecho que los dispositivos no necesitan estar alimentados de forma directa (con cable de corriente o baterías) sino que aprovechan otras fuentes de energía para su funcionamiento. En concreto, una de las modalidades de este tipo de comunicación utiliza la energía que proporciona la estación base en forma de ondas de radiofrecuencia, que se aprovechan para generar la respuesta del dispositivo y proporcionando a la vez una fuente constante e “infinita” de energía. Seguidamente presentamos cinco ejemplos  de este tipo de comunicación:

Near Field Communication (NFC) 

La comunicación de campo cercano (NFC, del inglés near field communication) permite la comunicación entre dos dispositivos en el rango de pocos centímetros. Encontramos ejemplos de NFC muy habituales como el pago “contactless” con tarjetas de crédito/débito, tarjetas de acceso a recintos o servicios (como por el Bicing en Barcelona). En su modalidad pasiva, un “iniciador” inicia la comunicación proporcionando la energía para que el “receptor” pueda responder. Así, la forma en la que se transfiere la energía se basa en el principio de inducción electromagnética (similar al funcionamiento de un transformador o cargador), que el receptor aprovecha para generar su respuesta. Por lo que se refiere al ejemplo del pago, el TPV genera el campo electromagnético e inicia la comunicación cuando detecta una tarjeta “contactless”, la cual responde “modulando” la energía proporcionada por el TPV.

Radio Frequency Identification (RFID)

La identificación por radiofrecuencia (RFID, del inglés radio frequency identification) es otro ejemplo de comunicación pasiva, similar al de NFC. Esta tecnología se ha utilizado habitualmente en la industria de la distribución y logística para identificar pedidos de forma automática (con una etiqueta RFID en los palés). No obstante, últimamente se ha extendido al comercio minorista donde podemos encontrar tiendas de ropa donde cada producto está etiquetado. En este caso el dispositivo “interrogador” genera un campo eléctrico que la etiqueta refleja (backscattering) modulando la respuesta (habitualmente un código de identificación único). RFID permite la identificación simultánea de centenares de etiquetas hasta una decena de metros, distancia que puede aumentar en el futuro gracias a las mejoras en los procesos de fabricación.

Long Range (LoRa)

También podemos encontrar en el mercado otras tecnologías IoT que, aunque habitualmente utilizan baterias, disponen también de modalidades pasivas. Es el caso de  long-range backscatter, un proyecto de la Universidad de Washington que utiliza backscatter (igual que con RFID) con la tecnología Long Range (LoRa). Esto le permite alcanzar distancias por encima del kilómetro.

WiFi y Bluetooth

Recientemente han salido al mercado empresas comercializando versiones pasivas de las tecnologías WiFi y Bluetooth que, si bien no ofrecen las mismas funcionalidades, sí ofrecen compatibilidad con dispositivos existentes. La empresa Jeeva Wireless ofrece prototipos de chips WiFi pasivos que pueden interactuar con puntos de acceso o móviles con WiFi y que utilizan la tecnología backscattering. Wiliot por otra parte, ha desarrollado un chip bluetooth pasivo que se puede comunicar con las estaciones base bluetooth tradicionales. En este caso la tecnología no funciona reflejando la señal como en los casos anteriores. Sino que acumula “energía ambiente” propagada a través de las ondas de radiofrecuencia de estaciones base móviles, Bluetooth, WiFi que utilizan las mismas frecuencias como Zigbee.

Como conclusión, tecnologías como las anteriores pueden significar un cambio sustancial en ámbitos IoT como los siguientes:

  • Mantenimiento y coste: evitar baterías o el cableado necesario para alimentar los dispositivos representa una gran ventaja en términos de mantenimiento. Especialmente si el volumen de dispositivos es muy elevado.
  • Fiabilidad: evitando las interrupciones provocadas por el agotamiento de las baterías se evita la pérdida de información.
  • Nuevas aplicaciones: gracias a la ubicuidad de las comunicaciones pasivas se pueden plantear nuevos escenarios donde la accesibilidad no sea un factor decisivo.

Joan Melià es Ingeniero de Telecomunicación por la Universitat Politècnica de Catalunya, y Doctor por la Universidad Oberta de Catalunya. Actualmente trabaja como profesor en la Universitat Oberta de Catalunya, y es miembro del grupo de investigación Wireless Networks.

IoT i comunicacions passives

El creixement de l’Internet de les Coses ha comportat una revolució en la diversitat de dispositius capaços de transmetre dades o connectar-se a internet.

Internet of Things IoT

Una de les característiques principals dels dispositius IoT es fonamenta en el compromís entre tres factors:

  • Consum d’energia
  • Distància de comunicació
  • Ample de banda (directament relacionat amb la quantitat d’informació que es pot transmetre per unitat de temps).

Pensem, per exemple, en un sensor que en lloc de transmetre una mesura cada hora, ha de fer-ho cada segon. Si es vol ampliar la quantitat de bits a transmetre, generalment s’haurà de reduir la distància de comunicació, o si això no és possible, ampliar la quantitat d’energia que consumeix el dispositiu.

De fet, una de les problemàtiques principals dels dispositius IoT és la provisió d’energia, ja que habitualment es fa mitjançant bateries. A un major consum d’energia, la vida de les bateries s’escurça, necessitant reemplaçar-les amb major freqüència. Aquesta problemàtica s’agreuja si el volum de dispositius és gran, convertint en canvi de bateries en un gran cost, a més de possible font d’errors.

Una solució en aquests casos la podem trobar en les comunicacions passives. Aquestes es caracteritzen pel fet que els dispositius no necessiten estar alimentats de forma directa (amb cable de corrent o bateries) sino que aprofiten altres fonts d’energia per al seu funcionament. En concret, una de les modalitats d’aquests tipus de comunicació fa servir l’energia que proporciona l’estació base en forma d’ones de radiofreqüència, que s’aprofiten per generar la resposta del dispositiu tot proporcionant una font constant i “infinita” d’energia. Tot seguit presentem cinc exemples d’aquests tipus de comunicació:

Near Field Communication (NFC) 

La comunicació de camp proper (NFC, de l’anglès near field communication) permet la comunicació entre dos dispositius en el rang de pocs centímetres. Podem trobar exemples de NFC molt habituals com el pagament “contactless” amb targetes de crèdit/dèbit o targetes com per exemple el Bicing a Barcelona. En la seva modalitat passiva, un “iniciador” inicia la comunicació tot proporcionant l’energia per tal que el “receptor” pugui respondre. Així, la forma en la que es transfereix l’energia es basa en el principi d’inducció electromagnètica (semblant al funcionament d’un transformador), que el receptor aprofita per generar la seva resposta. Pel que fa l’exemple del pagament, el TPV genera el camp electromagnetic i inicia la comunicació quan detecta una targeta “contactless”, la qual respon “modulant” l’energia proporcionada pel TPV.

Radio Frequency Identification (RFID)

La identificació per radiofreqüència (RFID, de l’anglès radio frequency identification) és un altre exemple de comunicació passiva, similar al de NFC. Aquesta tecnologia s’ha emprat habitualment en la indústria de la distribució i logística per identificar comandes de forma automàtica (amb una etiqueta RFID als palets). No obstant, darrerament s’ha estès al comerç minorista on podem trobar botigues de roba on cada producte està etiquetat. En aquest cas el dispositiu “interrogador” genera un camp elèctric que la etiqueta reflecteix (backscattering) modulant la resposta (habitualment un codi d’identificació únic). RFID permet la identificació simultània de centenars d’etiquetes fins a una desena de metres, distància que pot augmentar en el futur gràcies a les millores en els processos de fabricació.

Long Range (LoRa)

També podem trobar al mercat altres. que, tot i que habitualment facin servir bateries, disposen també de modalitats passives. És el cas de long-range backscatter, un projecte de la Universitat de Washington que fa servir retroreflexió (igual que amb RFID) amb la tecnologia Long Range (LoRa), assolint distàncies de comunicació per sobre del kilòmetre.

WiFi i Bluetooth

Recentment han sortit al mercat empreses comercialitzant versions passives de les tecnologies WiFi i Bluetooth que, si bé no ofereixen les mateixes funcionalitats, sí ofereixen compatibilitat amb dispositius existents. L’empresa Jeeva Wireless ofereix prototips de xips WiFi passius que poden interactuar amb punts d’accés o mòbils WiFi que fan servir la tecnologia de retroreflexió. Wiliot per la seva banda, ha desenvolupat un xip bluetooth passiu que es pot comunicar amb les estacions base bluetooth tradicionals. En aquest cas la tecnologia no funciona reflectint el senyal com en els casos anteriors, sinó que acumula “energia ambient” propagada a través de les ones de radiofreqüència d’estacions base mòbils, Bluetooth, Wi-Fi que empren les mateixes freqüències com per exemple Zigbee.

Com a conclusió, tecnologies com les anteriors poden significar un canvi substancial en àmbits IoT com els següents:

  • Manteniment i cost: evitar bateries o el cablejat necessari per alimentar els dispositius representa un gran avantatge en termes de manteniment. Sobretot si el volum de dispositius és molt elevat.
  • Fiabilitat: evitant les interrupcions provocades per l’esgotament de les bateries s’evita la pèrdua d’informació.
  • Noves aplicacions: gràcies a ubiqüitat que permeten les comunicacions passives es poden plantejar nous escenaris on l’accessibilitat als dispositius no sigui un factor decisiu.

Joan Melià és Enginyer de Telecomunicacions per la Universitat Politècnica de Catalunya, i Doctor per la Universtat Oberta de Catalunya. Actualment treballa com a professor a la Universitat Oberta de Catalunya, i és membre del grup d’investigació Wireless Networks.

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