Seleccionar una solución de módulo inalámbrico debería ser fácil. En un mundo perfecto, sólo tendría que elegir el de mayor alcance. De este modo, no importa la distancia a la que estén desplegados los dispositivos, siempre podrán comunicarse. Pero no es tan sencillo. Afortunadamente, hay soluciones que se adaptan a cualquier caso de uso, desde la comunicación por radio de largo alcance, hasta la de corto alcance o la intermedia.
Pregunte a cualquier experto en Internet de las Cosas qué módulo de radio es el mejor y la respuesta será: "depende". Eso es porque cada tipo de dispositivo inalámbrico tiene sus propios puntos fuertes y débiles. Lo que es genial para un proyecto puede ser terrible para otro. Por ejemplo, un módulo que utiliza muy poca energía de la batería puede ofrecer también un bajo ancho de banda. Es una solución perfecta para una báscula de baño inalámbrica, pero totalmente errónea para transmitir vídeo en directo desde una sala de conferencias, y viceversa.
Con el alcance de la radio ocurre lo mismo. Es necesario evaluar el caso de uso y comprender cómo se propagan las señales de radio en función tanto del equipo como del entorno. En este artículo analizamos todas las consideraciones para determinar la mejor opción en cuanto a alcance y tipo de módulo para su proyecto.
Factores que afectan al alcance de la señal inalámbrica
El alcance se define como la distancia máxima a la que puede haber comunicación entre dos antenas en una red inalámbrica. Pero el alcance no sólo se refiere a la distancia. He aquí algunas consideraciones importantes:
- Los obstáculos, el terreno y la física de la radio afectan al alcance.
- Otro factor es el diseño de la antena, con consideraciones como las bandas de frecuencia y la impedancia.
- El ruido es otro factor importante. Al igual que es difícil escuchar a alguien en una fiesta multitudinaria, es difícil captar una señal de radio en entornos con mucho ruido de radio.
Las diversas consideraciones y factores que pueden influir en la calidad de la comunicación entre los dispositivos de su red incluyen 10 factores diferentes.
1. Rendimiento
En IoT, a menudo es necesario comunicar pequeñas cantidades de datos desde ubicaciones remotas. El rendimiento de los datos tiene un impacto significativo en el alcance. Cuando aumenta la velocidad de datos, el alcance para una comunicación eficaz entre dispositivos puede reducirse. Esto se debe a que las velocidades de datos rápidas requieren una relación señal-ruido más alta para una demodulación satisfactoria.
Si alguien habla muy rápido en una habitación ruidosa, es difícil entenderlo. Si habla más despacio, es más fácil entenderlo. Las radios funcionan de manera similar. Muchos IoT envían tan solo un valor de sensor una vez al día. Cuando esos datos se envían a una velocidad de bits baja, se pueden detectar a mucha más distancia.
2. Potencia
Las señales de radio requieren mucha energía porque, a diferencia de los mensajes que circulan por un cable, se descomponen de forma acelerada. Cuando las señales de radio se alejan de su fuente, se extienden rápidamente como las ondas de un estanque. Tanto el sonido como la radio se desintegran según la ley del cuadrado inverso. Cada vez que se duplica la distancia, se necesita cuatro veces más energía, por lo que recorrer largas distancias consume mucha más energía que las más cortas.
3. Ruido
En una red de radiofrecuencia, la señal es la información transmitida entre dispositivos. El ruido es cualquier otra cosa. La relación señal/ruido (S/N) es una métrica que compara los niveles de potencia de la señal con los del ruido. Es un factor importante para determinar el alcance del sistema de radio, porque el alcance consiste en distinguir con fiabilidad la señal del ruido, no en la distancia que puede recorrer una determinada señal de radio (que es infinita). El ruido radioeléctrico forma parte del entorno natural, que incluye:
- Radiación cósmica de fondo e interferencia solar
- Fuentes atmosféricas como los rayos
- Fuentes humanas como líneas eléctricas, motores, luces fluorescentes, interruptores, ordenadores y comunicaciones de radio no relacionadas
4. Frecuencia
Las señales de radio de baja frecuencia pueden difractarse fácilmente alrededor de los objetos y rebotar en la atmósfera, lo que aumenta el alcance efectivo. Sin embargo, las frecuencias más bajas tienen un ancho de banda limitado, por lo que el rendimiento es restringido. Las frecuencias más altas ofrecen un rendimiento mucho mayor, pero tienen dificultades para difractarse alrededor de los obstáculos y no se reflejan en la atmósfera, lo que limita su alcance.
5. Pérdida de espacio libre
A medida que una señal de radio viaja por el espacio, incluso en el vacío, su señal disminuirá al repartir su energía en un área cada vez más amplia. Esta dispersión sigue la ley del cuadrado inverso, que describe la pérdida exponencial de potencia con la distancia. La pérdida en el espacio libre a una frecuencia determinada se resuelve reduciendo la distancia entre el transmisor y el receptor.
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6. Difracción
Cuando una señal de radio encuentra un objeto en su trayectoria, se dispersa o se difracta, y parte de la energía se desvía alrededor del objeto, pero el resto se aleja del receptor y, por lo tanto, se pierde. Los bordes afilados difractan mejor que los objetos redondeados, que tienden a absorber más señal. La difracción es solo una de las muchas razones por las que se deben evitar los objetos en la trayectoria de la señal.
7. Multitrayectoria
En entornos ideales como el espacio exterior, las señales enviadas por un transmisor siempre llegan directamente, sin reflejarse en ninguna superficie u objeto. Aquí en la Tierra, las cosas son inevitablemente más complicadas. En los casos en que la línea de visión es clara, algunas señales llegarán directamente, pero otras rebotarán en objetos y terrenos cercanos, distorsionándolas. Los protocolos y sistemas de radio suelen estar diseñados para hacer frente a algunas interferencias multitrayecto. Colocar las antenas en lugares elevados y libres de obstáculos también ayuda.
8. Absorción
Las señales de radio pueden viajar una distancia infinita a través del espacio vacío; sin embargo, cuando encuentran objetos, parte de su energía es absorbida. Las señales de radio pueden atravesar paredes, pero se atenúan en el proceso. La humedad del aire puede absorber suficiente energía radioeléctrica como para perturbar las señales de alta frecuencia. Las hojas de los árboles y otra vegetación en la trayectoria de la señal pueden disipar lo suficiente como para causar problemas en frecuencias más bajas.
9. Terreno
Las colinas o montañas (junto con los árboles y otra vegetación) pueden absorber, difractar, reflejar o bloquear por completo las señales, impidiendo que lleguen a su destino. La composición del terreno también puede influir en las bajas frecuencias, ya que las señales viajan mejor sobre lagos, océanos o pantanos que sobre zonas secas como los desiertos. La zona de Fresnel, un área con forma aproximada de balón de fútbol situada entre las antenas, debe estar lo más libre posible de terreno y obstáculos para optimizar el rendimiento de las comunicaciones.
10. Antenas y alcance
Las antenas transforman las señales eléctricas en ondas de radio para transmitir información «por el aire». En los receptores, las ondas de radio se transforman de nuevo en variaciones eléctricas que los ordenadores pueden entender. Es fundamental utilizar las antenas adecuadas, junto con una colocación adecuada de las mismas y una selección adecuada de los cables. Una mala elección puede limitar el alcance, desperdiciar la energía de la batería y convertir un sistema bien concebido en una pesadilla de soporte técnico. Consulte nuestra guía, Las 10 consideraciones principales para el diseño de antenas, para obtener más información.
Consideraciones sobre la potencia y la duración de la batería para el alcance de la comunicación
Como hemos visto, el alcance y la potencia están entrelazados en las comunicaciones inalámbricas. Hoy en día, muchas aplicaciones despliegan miles de dispositivos inalámbricos en una amplia zona, y es importante tener en cuenta el tiempo y los gastos de gestión de las baterías. He aquí un breve resumen de estos factores.
Presupuestos para la gestión de la energía
Una gestión cuidadosa de la alimentación del dispositivo puede prolongar la vida útil de la batería de días a años. Una excelente manera de ahorrar energía es ajustar el alcance de la radio a los requisitos de la aplicación. Elegir protocolos de menor alcance o limitar manualmente la potencia de transmisión para reducir eficazmente el alcance aumentará la vida útil de la batería.
Algunos protocolos pueden limitar automáticamente la potencia de transmisión con una función de velocidad de datos adaptativa que limita dinámicamente el dispositivo a la potencia de transmisión mínimafiable. Esto resulta especialmente útil cuando los dispositivos son móviles o cuando el entorno radioeléctrico cambia con el tiempo (cambios estacionales en el follaje, cambios diarios en el entorno de ruido radioeléctrico, etc.).
Modos de sueño
Para ahorrar energía y prolongar la vida útil de la batería, IoT suelen utilizar modos de suspensión cuando no se necesitan. Un módulo de radio en suspensión generalmente no recibirá ninguna transmisión. Sin embargo, muchos casos IoT requieren que los dispositivos en el campo transmitan y reciban.
Puede utilizar un método de almacenamiento y reenvío, si el diseño de la red o del protocolo lo admite. En determinados protocolos, esto se habilita mediante nodos de radio «padre» que almacenan temporalmente las transmisiones destinadas a un dispositivo «hijo» en reposo hasta que este se activa y las solicita. En otros protocolos, un servidor de red central actúa como padre, reenviando los mensajes solo cuando detecta la activación de un dispositivo remoto. Con una gestión adecuada de la energía, los sistemas alimentados por batería y energía solar pueden funcionar durante varios años sin necesidad de mantenimiento.
Ofertas de Digi por gama
Los módulos de radio Digi XBee® están disponibles en una amplia variedad de rangos, para adaptarse a la diversidad de IoT y entornos IoT . Un factor de forma físico común, una interfaz compartida y décadas de fiabilidad convierten a la Digi XBee en líder en redes inalámbricas, tanto si su proyecto necesita comunicarse a través de una habitación como a través del mundo. Y la línea XBee está en constante expansión, con protocolos como LoRaWAN y Wi-SUN.
Echemos un vistazo rápido a cada tipo de módulo a continuación. Para obtener información más detallada sobre el ecosistema XBee, consulte nuestra Guía de compra de XBee.
Radios XBee de corto alcance
Las radios de corto alcance reducen al mínimo la potencia, el tamaño, el calor y el coste. Son la solución perfecta para la monitorización de la energía residencial, la automatización de edificios comerciales o la detección de invernaderos de alta densidad. Cuando se utiliza red de mallaLos mensajes pueden saltar entre módulos en su camino hacia su destino, creando redes mucho más grandes que el alcance de cualquier dispositivo de radio individual. Con tantas ventajas, debería ser la primera categoría que considere al evaluar soluciones para su aplicación IoT .
Un único y diminuto módulo que admite múltiples protocolos de red inalámbrica, además de Bluetooth Low Energy y programabilidad integrada. Con un alcance de línea de visión de 4000 pies, es una solución excelente para la automatización del hogar, el control industrial y la detección ambiental. Las comunicaciones de corto alcance y el ancho de banda medio permiten una larga duración de la batería. Las opciones de malla permiten crear redes más grandes que el alcance de los nodos individuales, que cubren hogares grandes o pequeñas granjas al aire libre.
Estos módulos integrados Wi-Fi llevan una de las tecnologías de red inalámbrica más populares a la plataforma Digi XBee . Con un alcance Wi-Fi estándar (300 pies) y un gran rendimiento, interoperan con cualquier estación base cercana. Esto compensa en parte los costes añadidos del protocolo Wi-Fi, que consume más energía, además de su complejidad de aprovisionamiento adicional. Es ideal para añadir un dispositivo a una red preexistente; sólo tiene que asegurarse de que su plan de aprovisionamiento incluye suficientes recursos para gestionar múltiples configuraciones de autenticación que cambiarán con el tiempo.
Digi XBee + Bluetooth de baja energía
Todos los módulos Digi XBee integran Bluetooth Low Energy, además del protocolo principal seleccionado. Bluetooth Low Energy es habitual en los teléfonos inteligentes, por lo que resulta una forma sencilla de configurar módulos, registrar datos de sensores inalámbricos alimentados por batería o crear balizas de localización. Bluetooth Low Energy suele tener un alcance bastante corto (90 metros o menos), pero consume muy poca energía, por lo que es un protocolo secundario ideal para IoT .
El Digi XBee BLU es un módulo Bluetooth Low Energy 5.4 de grado industrial diseñado para IoT inalámbrica IoT en una variedad de aplicaciones, desde proyectos de fabricantes hasta entornos industriales. Es compatible con Bluetooth Low Energy 5.4 con velocidades de datos de hasta 2 Mbps y ofrece una seguridad robusta a través del marco Digi TrustFence®, que incluye arranque seguro, aceleración criptográfica de hardware y comunicación cifrada.
Radios XBee de alcance medio
Las radios de gama media consumen más energía, generan más calor y suelen ser más caras. Se emplean mejor para distancias mayores o cuando las redes de malla deben cubrir una zona más amplia. Muchos de estos protocolos utilizan frecuencias por debajo de los gigahercios que están libres de licencia, pero difieren según la región, por lo que habrá que prestar más atención a su cumplimiento. Los campos solares, el control del alumbrado municipal y la monitorización remota de equipos son grandes casos de uso de IoT para los módulos de alcance medio.
La versión de mayor potencia del módulo más pequeño de Digi para redes inalámbricas incluye Bluetooth Low Energy y programabilidad integrada. Con un alcance de línea de visión de 3,2 km, es ideal para la automatización de edificios, controles en toda la fábrica, soluciones para ciudades inteligentes y sensores agrícolas de gran superficie. Sus transmisiones de alcance medio consumen más batería que la versión de potencia normal, pero esto se puede mitigar implementando cualquiera de las diversas opciones de suspensión. Las redes pueden incluir una combinación de módulos de alta y baja potencia para optimizar la duración de la batería y los costes.
El módulo 900HP ofrece un gran alcance (hasta 28 millas con una antena de alta ganancia), así como opciones de malla para conectar en red muchos nodos cooperantes repartidos por un área extensa. Su frecuencia de 900 MHz limita su uso a Norteamérica y a un puñado de países, y su mayor alcance se consigue con un rendimiento muy bajo, pero siempre que sus características se ajusten a las necesidades de su aplicación, es una solución excelente.
El módulo Digi XBee® LPX 900 es una solución RF compacta y fiable diseñada para la conectividad de largo alcance. Totalmente compatible conDigi XBee 900HP, cuenta con un filtro SAW (onda acústica superficial) integrado que minimiza el ruido fuera de banda, lo que permite una transmisión de datos más rápida y fiable. El módulo está precertificado y funciona en la banda ISM de 902 a 928 MHz, lo que garantiza el cumplimiento de las normas reglamentarias y simplifica su implementación.
Radios XBee de largo alcance
Cuando se necesitan cubrir grandes distancias, se requieren protocolos de largo alcance. Para IoT normalmente IoT baterías, por lo que es habitual ofrecer un rendimiento reducido que ahorre energía y mantenga un largo alcance de comunicaciones. Los proyectos de ciudades inteligentes, la supervisión de campus industriales, la minería o perforación remota y los sistemas agrícolas de gran superficie son aplicaciones típicas para este tipo de radio. Esto es especialmente cierto cuando los datos que se envían son bastante pequeños, pero deben recorrer una gran distancia.
Digi XBee PRO
El Digi XBee PRO es el módulo RF inalámbrico de largo alcance de última generación que opera en la banda ISM sub-GHz con alta potencia de transmisión seleccionable por software (potencia de salida máxima de 1 vatio) y un robusto cifrado AES de 256 bits, compatible con la red DigiMesh® para comunicaciones fiables y seguras. Ofrece un excelente alcance de línea de visión y resistencia a las interferencias, al tiempo que se adapta al compacto formato XBee y ofrece una fácil configuración a través de Digi XBee . Diseñado para aplicaciones industriales IoT exigentes, combina un funcionamiento resistente a temperaturas industriales con una conectividad inalámbrica flexible y de bajo consumo.
Digi XBee 868 es un módulo RF de 868 MHz para Europa. El módulo puede ejecutar un protocolo de red DigiMesh® o punto a multipunto utilizando un microcontrolador Silicon Labs de baja potencia y un transceptor Analog Devices ADF7023, junto con un filtro SAW integrado que ofrece un bloqueo de interferencias líder en el sector. Digi XBee 868 funciona entre 863 MHz y 870 MHz, lo que permite su implementación en varias regiones de todo el mundo, incluidos los países europeos aprobados.
Digi X-ON es una solución edge-to-cloud que incluye un módulo Digi XBee LoRaWAN, una pasarela y la plataforma de gestión Digi X-ON. Puede empezar a utilizarla inmediatamente con el kit SparkFun Digi X-ON para LoRaWAN. Encuentre el kit SparkFun para Norteamérica aquí y el kit SparkFun para Europa aquí.
La solución LoRaWAN ofrece productos especializados para los extremos del sensor y la pasarela de la comunicación inalámbrica. La modulación inalámbrica LoRa es una tecnología sin línea de visión capaz de penetrar obstáculos como edificios, vegetación y/o áreas con alta interferencia de radiofrecuencia, como la maquinaria industrial.
LoRaWAN es un estándar global que opera principalmente a 900 MHz, 868 MHz y 400 MHz, dependiendo de la normativa de cada país, y que utiliza una configuración específica del esquema de modulación LoRa. Los sensores LoRaWAN son de muy baja potencia, con un alcance de línea de visión de hasta 100 kilómetros y comunicaciones bidireccionales. Las aplicaciones típicas sin línea de visión alcanzan hasta 20 km. Las pasarelas son sistemas alimentados de alto rendimiento que conectan múltiples dispositivos y se gestionan a través de una plataforma en la nube, como Digi X-ON, para proporcionar una escalabilidad masiva.
LoRaWAN está optimizado para cargas útiles pequeñas y hasta miles de dispositivos por puerta de enlace, y se puede configurar para funcionar con baterías de baja potencia o con alimentación de baja latencia. Las soluciones LoRaWAN son ideales para infraestructuras exteriores distribuidas, como servicios públicos, agricultura y sistemas industriales. La nube Digi X-ON no solo gestiona el sistema de radio LoRaWAN, sino que también proporciona funciones automatizadas de aprovisionamiento e implementación para dispositivos y puertas de enlace.
Celular - Alcance mixto y ampliado
Siempre es difícil comparar el alcance de la telefonía móvil con otros protocolos, porque mientras que el alcance de cualquier módulo celular individual es decididamente modesto, la cobertura de la red móvil mundial significa que un dispositivo colocado casi en cualquier lugar puede comunicarse con otros dispositivos en todo el mundo.
Los nuevos protocolos son más fáciles de usar en cuanto a la duración de la batería y han mejorado las formas de ahorrar energía con los modos de suspensión. Los planes de datos móviles son necesarios, pero su coste ha bajado mucho para adaptarse a las necesidades de poco ancho de banda de IoT.
Los módulos celulares son perfectos para aplicaciones móviles o para ubicaciones fijas en las que no resulta práctico construir una infraestructura de red inalámbrica propia. Tanto si se trata de rastrear contenedores de transporte, como de supervisar máquinas expendedoras o contar divisas en un cajero automático, los módulos celulares ofrecen una cobertura global con un presupuesto reducido.
Este módulo LTE Categoría 1 certificado para dispositivos finales ofrece programabilidad integrada, Bluetooth Low Energy y las conocidas Digi XBee que aceleran la comercialización de su proyecto. Además, con la cobertura celular casi omnipresente que ofrecen los operadores en Estados Unidos y otros mercados globales, XBee Cellular Cat 1 tiene un amplio alcance. El rendimiento de la Categoría 1 no es suficiente para medios como el vídeo, pero es ideal para IoT en los que es necesario transferir cantidades considerables de datos. Los planes de datos para Cat 1 son de bajo coste e incluyen tecnologías como SMS, lo que proporciona una gran flexibilidad de desarrollo. Los módulos están disponibles opcionalmente con tarjetas SIM preactivadas, para ayudar a que los dispositivos salgan al mercado con la menor fricción posible.
Los módems Digi XBee Global LTE Cat 4 ofrecen un alcance casi ilimitado, como Cat. La última incorporación a la línea XBee Cellular permite a los fabricantes de equipos originales (OEM) incorporar rápidamente conectividad inalámbrica en sus implementaciones con módulos XBee LTE Cat 4 precertificados que ofrecen la flexibilidad de cambiar entre múltiples frecuencias y protocolos inalámbricos según sea necesario.
Al igual que sus hermanos Cat 1 y Cat 4, esteIoT cuenta con certificación para dispositivos finales, programabilidad integrada, Bluetooth Low Energy e interfaces familiares, así como un alcance casi ilimitado, al igual que Cat.IoT LTE-M yIoT se diseñaron para admitir IoT de bajo ancho de banda que requieren un bajo consumo de energía a bajo coste. Los planes de datos para ambos protocolos son económicos y las nuevas opciones de suspensión celular pueden ayudar a que las baterías de los dispositivos duren meses o incluso más. Las tarjetas SIM preinstaladas están disponibles opcionalmente para que IoT puedan pasar directamente de la fábrica a las manos del usuario, lo que facilita su implementación. Este es uno de los módulos más avanzados de la gama de IoT de Digi.
Soluciones combinadas: Corto alcance + Largo alcance
A veces, la mejor solución es combinar varios tipos de conectividad diferentes. Por ejemplo, en una aplicación de detección ambiental remota, lo más adecuado podría ser utilizar una red de corto alcance Zigbee o DigiMesh para cubrir densamente un área relativamente pequeña, como una plataforma petrolífera, y luego enviar los datos a un centro de control situado a distancia mediante radio de largo alcance, como Digi XBee SX. En lugares menos remotos donde hay cobertura móvil, esta también podría ser una excelente opción de retorno. La misma red también podría implementar Bluetooth Low Energy de muy corto alcance para permitir la configuración directa de los sensores desde un smartphone local. La combinación de varios protocolos para que cada uno haga lo que mejor sabe hacer suele crear la IoT ideal.
Este gráfico ofrece una visión general de los protocolos, las velocidades de datos y el consumo de energía.
Fuente: Behr Tech
Resumen
Hemos hablado del alcance de las comunicaciones inalámbricas y de los muchos factores que lo afectan, demostrando por qué la respuesta a la pregunta de hasta dónde llega una señal de radio es «depende». El entorno, los materiales de construcción, el terreno, los reflejos, el clima, las antenas, la potencia de transmisión, los protocolos, las frecuencias y, sobre todo, la relación señal-ruido, son factores que influyen. Entonces, ¿cómo podemos encontrar la mejor solución?
En primer lugar, debe tener en cuenta todas las variables, incluyendo:
- ¿El uso previsto es en interiores o en exteriores?
- ¿La aplicación es móvil o fija?
- ¿Qué distancia debe recorrer?
- ¿Cuál es el tamaño y la frecuencia de los datos que va a transmitir?
- ¿Habrá mucho ruido de radio?
- ¿Se alimentarán con pilas de botón o podrán conectarse a la red eléctrica?
- ¿Cuántos dispositivos o nodos se conectarán entre sí?
- ¿Qué tipo de construcción o topografía exterior prevé?
- ¿En qué regiones del mundo se desplegarán los dispositivos?
- ¿Cuánto puede costar el sistema y seguir proporcionando la rentabilidad necesaria?
Digi está aquí para ayudarle a llegar lejos, independientemente del alcance de radio que necesite. Para obtener más información, le recomendamos que consulte esta descripción general de las funciones IoT y nuestra guía para seleccionar una arquitectura.
¿Necesita asistencia práctica en materia de diseño? Los expertos en diseño inalámbrico de Digi pueden crear diseños personalizados para resolver incluso los problemas de comunicación más complejos.
El equipo de Digi puede ayudarle a evaluar cada uno de estos factores y seleccionar la solución perfecta que se adapte a los requisitos de su proyecto y cubra los rangos necesarios. Póngase en contacto con nosotros para que le ayudemos a tomar una decisión.
Esta entrada del blog se publicó por primera vez en diciembre de 2021 y se actualizó en enero de 2026.