Consideraciones de diseño celular para una estrategia óptima IoT

Josh Jaeger Josh Jaeger, Director de Ventas, WDS, Digi International
13 de mayo de 2020

Nunca ha habido un momento mejor para sumergirse en el Internet de las Cosas. Hoy en día, los desarrolladores de IoT tienen acceso a una amplia variedad de plataformas en la nube, dispositivos integrados, sensores y opciones de conectividad, suficientes para provocar una parálisis por análisis. Tanto si está iniciando su "transformación digital" para mejorar la eficiencia operativa y reducir los costes operativos, como si está creando modelos de negocio totalmente nuevos en torno al servicio, una piedra angular de este esfuerzo será el desarrollo de su estrategia IoT . Un ingrediente clave de su éxito será la conectividad desde el borde. Uno de los métodos más populares hoy en día es integrar la conectividad celular en su aplicación IoT .

Digi Wireless Design Services ha ayudado a cientos de empresas a implantar con éxito la conectividad celular en sus soluciones IoT durante los últimos 15 años. Además de los servicios de definición de arquitectura, diseño y construcción, ofrecemos talleres educativos para ayudar a las organizaciones a poner en marcha su proceso de desarrollo. Estos servicios ayudan a las organizaciones a centrarse en sus competencias básicas y resolver sus problemas empresariales, mientras WDS elimina ineficiencias y retos de diseño, lo que ayuda a la organización a acelerar el tiempo de comercialización.

En este artículo, abordamos específicamente algunos consejos para integrar cellular en su aplicación.

¿Por qué integrar la telefonía móvil en el diseño de IoT ?

 Estas son algunas de las principales razones para considerar el uso del celular:

  • Los dispositivos celulares pueden instalarse sin necesidad de estar configurados en la red Wi-Fi del cliente.
  • No hay tiempo de configuración para sus instaladores o los de sus clientes. No tiene que preocuparse de cambiar las contraseñas ni la intensidad de la señal. Simplemente funciona al sacarlo de la caja.
  • Las opciones de telefonía móvil abundan. Las conexiones son un orden de magnitud menos caras que hace un par de años.
  • El móvil recorre kilómetros frente a los pies de las típicas redes Wi-Fi. El mundo está cubierto de celulares.

Digi dispone de varias opciones excelentes que facilitan y agilizan la comercialización, como los módulos habilitados para telefonía móvil y precertificados Digi XBee . Aun así, el diseño de productos con tecnología celular presenta nuevos retos de diseño que deben tenerse en cuenta. Los desarrolladores deben prestar atención a algunos aspectos exclusivos de la tecnología celular, sobre todo a las nuevas tecnologías que presentan una mayor sensibilidad de recepción. Si no se tiene esto en cuenta en el diseño, se corre el riesgo de desarrollar dispositivos que pierdan la conectividad o, peor aún, que no se conecten en absoluto. Esto puede hacer que su dispositivo no obtenga las certificaciones necesarias, retrasar el lanzamiento de su producto e interrumpir sus planes de negocio.

Sus clientes exigen una experiencia de configuración sencilla y sin problemas. El envío de camiones de servicio o de repuestos por correo urgente para arreglar o sustituir dispositivos y piezas problemáticos puede acabar con sus beneficios. Entre sus muchas ventajas, el móvil le permite integrar una configuración sencilla, así como funciones de solución de problemas y reparación remotas que favorecen la calidad del servicio.
 

Lecciones aprendidas de la integración celular


A continuación se exponen algunas lecciones que los miembros del equipo de Digi WDS han aprendido con mucho esfuerzo y que recomiendan tener en cuenta a la hora de emprender un nuevo esfuerzo en materia de dispositivos con tecnología celular.
 

1. Tenga cuidado con la EMI y mitigue en su esquema y diseño

 
Las decisiones que tome a este respecto afectarán a la implementación de radio de su aplicación y al filtrado de ruido, a la configuración/ajuste del procesador, a los relojes/osciladores, a la configuración/conexiones de la memoria, a la configuración/conexiones de los periféricos y a la configuración del sistema de alimentación.

Algunos consejos relacionados con el diseño de esquemas:

  • Aísle la antena de la energía, los procesadores y los reguladores de conmutación.
  • Considere el uso de LDOs en lugar de conmutadores cuando sea posible.
  • Planifique cuidadosamente la construcción de la placa de circuito impreso, el apilamiento y la estrategia de enrutamiento. Planos de tierra o de potencia contiguos a cada capa de señal.
  • Para cada conexión de cables o alambres, asegúrese de filtrar todos los puntos de entrada y salida en la placa de circuito impreso.
  • Utilice un único plano de tierra sólido. No cree tierras analógicas/digitales separadas a menos que sea absolutamente necesario.
  • El desacoplamiento del procesador de alta velocidad es especialmente importante.
  • Previsión de blindajes sobre procesadores, reguladores y dispositivos de conmutación como medida de precaución. Siempre se puede omitir un blindaje en la lista de materiales final si las pruebas indican que no es necesario.
  • Considere la posibilidad de revisar el diseño de su esquema antes de maquetarlo y de revisar el diseño antes de construir los tableros.

Contratar a expertos externos para que revisen su diseño puede ahorrarle tiempo y dinero, ya que le permitirá detectar los problemas a tiempo y mitigarlos antes de gastar valiosos dólares en mano de obra y materiales. Digi ha realizado cientos de estas revisiones, tanto como proceso de desarrollo interno como para ayudar a sus clientes a desarrollar sus propios diseños.
 

2. Considerar cuidadosamente el diseño de la antena

 
Todo gira en torno a la antena. Casi todo en un dispositivo pequeño de IoT forma parte del sistema de antena. Es crucial planificar previamente la ubicación y tener en cuenta las consideraciones mecánicas. El metal y otros materiales desafinarán la antena, afectarán al diagrama, degradarán la eficiencia o se acoplarán e irradiarán, lo que hará que su aplicación no obtenga la certificación.

Algunas recomendaciones relacionadas con el diseño de antenas:

  • Revise la selección de la antena y su integración en el conjunto mecánico. Disponer de un espacio adecuado para una antena apropiada frente a encajarla en el espacio disponible puede tener un grave impacto en el rendimiento del sistema. A medida que se reduce el tamaño, disminuye la eficiencia.
  • Si es posible, realice una simulación del rendimiento de la antena. Las simulaciones pueden ayudar a guiar el proceso de diseño mecánico, así como a evaluar las posibles antenas candidatas antes de su construcción.
  • Mantenga las antenas alejadas de fuentes de ruido como reguladores de conmutación y microprocesadores que pueden provocar la desensibilización del receptor.
  • Mantenga la antena y la transmisión de RF lejos de las redes eléctricas.
  • Cuando se utilicen antenas cerámicas, hay que prever un plano de tierra adecuado. Una buena referencia es el plano de tierra de la placa de evaluación de la antena.
  • Intenta que los cables sean lo más rectos posible. Evita los pliegues y las curvas pronunciadas que puedan causar reflejos.
  • Realice mediciones de sintonización in situ para verificar el rendimiento en cada etapa de la creación de prototipos y, especialmente, en la configuración final. Sintonice la antena para favorecer las frecuencias de transmisión en lugar de las de recepción.

Si tiene preguntas o necesita ayuda sobre el diseño de antenas, póngase en contacto con Digi WDS. Ayudamos constantemente a nuestros clientes a resolver problemas relacionados con las antenas y a garantizar que sus diseños superen las certificaciones.
 

3. Añada las pruebas de sensibilidad del receptor a su ciclo de desarrollo

 
Realice pruebas de sensibilidad del receptor (incluido el canal intermedio) para caracterizar las interferencias y compararlas con los requisitos de la CTIA y de las operadoras. Como ya se ha mencionado, el ruido excesivo puede desensibilizar el receptor y degradar gravemente su rendimiento. Esto es especialmente cierto con las radios Cat-M y NB-IoT que tienen una sensibilidad mayor que otras radios LTE. Piense, por ejemplo, en los dispositivos estacionarios que se instalan en el interior de edificios o en zonas rurales donde las señales celulares pueden ser más débiles. Un receptor con un rendimiento deficiente puede provocar fallos de conexión.

Algunas recomendaciones relacionadas con la sensibilidad:

  • Diseñar teniendo en cuenta la EMI como se ha indicado anteriormente.
  • Realice pruebas de preescaneado en cada fase de creación de prototipos para medir su rendimiento utilizando una caja de llamadas celular. Realice las pruebas en una cámara anecoica.
  • Realizar análisis espectrales in situ para identificar las fuentes de emisiones de interferencia, según sea necesario.

Digi ha ayudado a muchos clientes en el pasado a identificar y corregir problemas relacionados con la sensibilidad del receptor. Después de haber realizado cientos de diseños celulares nosotros mismos, podemos ser su asesor de confianza y ayudarle a guiarle a través del proceso de resolución.
 

4. Diseño para una potencia de transmisión óptima

 
La potencia de transmisión se traduce directamente en la capacidad del dispositivo para ser escuchado por la red. Ser capaz de responder o iniciar una conexión puede verse comprometido con una potencia de salida baja o puede ser indescifrable en presencia de altos niveles de ruido al transmitir. Al igual que ocurre con la sensibilidad del receptor, cada operador tiene unos requisitos que el dispositivo debe cumplir para que se apruebe su uso en su red.

Algunas recomendaciones relacionadas con la potencia de transmisión:

  • Como se ha mencionado, sintonice su antena para favorecer las frecuencias de transmisión. Aunque la recepción adecuada es importante, la capacidad de su dispositivo para ser escuchado se ve directamente afectada por un rendimiento de transmisión inadecuado.
  • Realizar pruebas de potencia de transmisión para verificar que el diseño cumple con las especificaciones.
  • Una vez más, realice pruebas previas a la exploración en cada fase de creación de prototipos para detectar los problemas con antelación.

En conclusión

Hay que tener en cuenta varias consideraciones a la hora de diseñar un dispositivo móvil en IoT . Digi entiende que su negocio puede no ser exclusivo de la ingeniería de dispositivos celulares. Por eso, los servicios de diseño inalámbrico de Digi están aquí para ayudarle a acelerar el tiempo de comercialización y reducir los riesgos. Póngase en contacto con nosotros hoy mismo para obtener su evaluación de riesgos y ayudarle a implantar con éxito IoT .
 

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