Comunicación inalámbrica: Comparación de la radiofrecuencia y la telefonía móvil

Rob Faludi Rob Faludi, IoT Consultor, Faludi.com
28 de octubre de 2022

Una de las primeras decisiones que tomará al diseñar un sistema IoT es cómo se comunicará. Aunque algunos proyectos pueden estar conectados por cable mediante Ethernet o un protocolo en serie, la mayoría requieren la movilidad y agilidad que ofrece la comunicación inalámbrica.

IoT Los dispositivos se sitúan a menudo en lugares en los que el cableado para la alimentación o las comunicaciones es poco práctico, y muchos son totalmente móviles, lo que hace que cualquier tipo de solución por cable quede descartada. En estos casos, la elección de un protocolo de comunicación inalámbrica es una obviedad. Pero, ¿qué solución inalámbrica es la adecuada para su proyecto?

En este post comparamos la comunicación celular con la comunicación RF (protocolos de radiofrecuencia), examinando las consideraciones clave para ayudarle a tomar la mejor decisión. Nuestros ejemplos se centrarán en los módulos Digi XBee®, pero las consideraciones son las mismas independientemente de la marca y el modelo de comunicaciones inalámbricas que implementes en tu proyecto.

Llévame al ecosistema XBee de RF y módems celulares

En cuanto a la telefonía celular, veremos los protocolos de bajo ancho de banda que admite la línea Digi XBee Cellular, incluidos LTE Cat 1, LTE-M y NB-IoT. Digi también ofrece una amplia selección de soluciones de radiofrecuencia no celular. Nos referimos a esto como nuestra línea "RF" de módulos Digi XBee que incluye: el XBee 3 Zigbee, el XBee 3 DigiMesh y el XBee 3 802.15.4; el XBee-PRO Zigbee y el XBee-PRO DigiMesh; el XBee SX 900 y el XBee 868MHz; y el XBee-PRO 900HP.

Consulte la Guía de compra de XBee para comparar las capacidades de los diferentes módulos del ecosistemaDigi XBee .

Opciones de comunicación inalámbrica XBee

Comparación de las comunicaciones inalámbricas por radiofrecuencia con las celulares

La mejor solución de comunicación inalámbrica para cualquier sistema de IoT depende siempre del contexto. Para algunos proyectos, la telefonía móvil será la mejor opción. Para otros, los requisitos de potencia y los costes de la telefonía móvil pueden ser prohibitivos y una solución de radiofrecuencia de corto alcance como Digi XBee 3 Zigbee será la combinación ideal. La razón por la que existen tantos protocolos diferentes de IoT es que hay muchos tipos de proyectos diferentes, cada uno con requisitos únicos. Teniendo esto en cuenta, veamos las consideraciones para cada tipo de solución.

Comunicaciones celulares: Ventajas y compensaciones

Torre de telefonía móvil

Como en toda opción de comunicación inalámbrica, en el caso de la telefonía móvil hay que tener en cuenta desde el coste y la complejidad hasta el tiempo necesario para diseñar y construir una solución, y cómo usted o sus clientes finales gestionarán en última instancia el dispositivo. Por ejemplo, tendrá que asegurarse de que el firmware de su producto pueda actualizarse periódicamente con actualizaciones de seguridad o funcionalidad y de que sus dispositivos de comunicación inalámbrica estén en línea y funcionen correctamente.

Las soluciones celulares requieren una infraestructura externa. Dos módulos celulares nunca se comunican entre sí directamente, sino que deben conectarse a través de la red de un operador inalámbrico utilizando su amplia gama de torres de comunicaciones y su considerable infraestructura de apoyo. Cuando decimos que un módulo celular se comunica con "la torre", nos referimos realmente a la red completa de ese operador, representada por una única torre celular. Dado que la telefonía móvil requiere infraestructura, casi siempre es necesario un plan de datos de pago de un operador inalámbrico. Incluso con planes de coste reducido para los dispositivos de bajo ancho de banda de IoT , los cargos totales pueden ser significativos y, para algunos proyectos, prohibitivos.

Ventajas de la comunicación celular

Conectividad móvil

Un módulo de comunicación celular habla directamente con cualquier torre que se encuentre en el radio de acción y utiliza esa conexión para comunicarse directamente, normalmente con aplicaciones en línea en la nube. Una de las principales ventajas de elegir la telefonía móvil como método de comunicación inalámbrica es que no se necesita ningún otro equipo; el módulo y su antena son todo lo que necesitas.

Las soluciones celulares son extremadamente móviles. Sus conexiones pueden pasar de torre a torre a gran velocidad. Con el módulo y el plan de datos adecuados, su dispositivo IoT puede desplazarse sin problemas por todo el mundo sin perder la conectividad. Ten en cuenta que cada módulo debe estar dentro del alcance de radio de una torre para comunicarse. Si un operador inalámbrico no cubre una zona, las comunicaciones celulares no serán posibles allí.

Los datos celulares son nativos de IP, lo que significa que los módulos celulares con conexiones en vivo pueden conversar con Internet directamente en su lenguaje nativo. Esto reduce el trabajo de desarrollo y simplifica la arquitectura de la redIoT . También hace que las actualizaciones por aire sean relativamente sencillas, ya que el firmware puede pasar directamente de la nube al dispositivo, lo que facilita el camino para las correcciones de errores y las mejoras.

Además, los fabricantes de equipos originales y los clientes finales pueden utilizar la plataforma de gestión y comunicación de dispositivos basada en la nube de Digi, Digi Remote Manager®, para una serie de tareas críticas. Digi Remote Manager (Digi RM) ofrece un conjunto completo de funciones de gestión, como actualizaciones automáticas de firmware en todo el despliegue, supervisión de los ajustes de configuración para detectar fallos de seguridad, supervisión del estado y la salud del dispositivo, alarmas y notificaciones para condiciones específicas y mucho más. Además, Digi RM ofrece la posibilidad de gestionar todo el conjunto de dispositivos conectados a IoT -incluidos los dispositivos de serie que no son de Digi- a través de un túnel VPN seguro.

Digi Remote Manager gestión de la red 

Ventajas de las comunicaciones celulares

Una de las desventajas es que los sistemas celulares deben actualizarse periódicamente para estar al día con las actualizaciones requeridas por el operador y, a veces, con las caducidades de los protocolos que requieren la sustitución del hardware subyacente.

La mayoría de los dispositivos de IoT funcionan con baterías. Las comunicaciones celulares tienen una demanda de energía relativamente alta porque requieren mucha corriente para comunicarse con una torre que puede estar a 1/4 de milla o más. Los nuevos protocolos celulares de IoT ofrecen un menor consumo de corriente e incluso algunos modos de suspensión, pero siguen agotando las baterías mucho más rápido que los módulos de comunicación por RF.

El hardware celular es bastante complejo, por lo que suele ser más costoso y físicamente algo más grande, sobre todo si se tiene en cuenta la mayor antena necesaria para aceptar todas las diferentes bandas celulares.

Comunicaciones RF no celulares: Ventajas y compensaciones

Torre de radio

Las soluciones de comunicación por radiofrecuencia que vamos a tratar aquí tienen capacidades diferentes a las de los móviles. Pueden comunicarse entre sí directamente, e incluso hacer saltar los mensajes a través de otros módulos intermediarios cuando se utiliza un protocolo de malla. Si la red necesita enviar mensajes más allá de su área local, necesitará un dispositivo de pasarela, como la pasarela Digi IX15 IoT , que traduce y reenvía los datos a otro lugar, normalmente a través de Internet. Las pasarelas RF son comunes, pero definitivamente opcionales, y no todas las soluciones las utilizan.


Tenga en cuenta que, aunque no los cubrimos en esta entrada del blog, Digi también ofrece excelentes soluciones LoRaWAN®, Wi-Fi y Bluetooth.


Los sistemas de comunicación por radiofrecuencia pueden desplegarse y funcionar indefinidamente sin cargos mensuales de terceros. Esto puede marcar la diferencia entre una solución rentable de IoT y otra que no funciona económicamente, aunque sea técnicamente sólida. Una red de radiofrecuencia puede instalarse prácticamente en cualquier lugar, sin tener en cuenta la cobertura de terceros, pero normalmente se limitará a una zona predefinida en la que cada módulo pueda ver al menos a otro para mantener su red.

Con una solución de radiofrecuencia, usted proporciona su propia cobertura, independientemente de cualquier proveedor. También debe proporcionar su propio backhaul de datos, para trasladar la información desde el borde de la red hasta donde sea necesario. En la mayoría de los casos, esto requiere algún tipo de dispositivo de puerta de enlace, que agrega los datos entrantes de su red local de RF y los pasa a Internet. Las pasarelas también pueden aceptar datos de Internet y reenviarlos a la red de radiofrecuencia.

Topografía del protocolo

En un protocolo punto a punto como el 802.15.4, cada radio debe estar dentro del alcance de la pasarela. Sin embargo, los protocolos de malla como Zigbee y DigiMesh permiten que los mensajes "salten" a través de módulos intermedios automáticamente de camino a la pasarela, por lo que las redes pueden ser mucho más grandes que el alcance de la propia pasarela. Dado que una solución de radiofrecuencia es independiente, no es necesario actualizar nada en función de la programación de otra persona. Una vez que el sistema está en funcionamiento, puede funcionar teóricamente sin cambios durante décadas, lo que ayuda a mantener los costes bajos.

Los módulos de radiofrecuencia suelen utilizar protocolos distintos al IP para comunicarse. Esto no es un descuido, sino que se debe a que TCP/IP no se diseñó teniendo en cuenta las soluciones de IoT , lo que crea importantes desafíos técnicos para los dispositivos de baja potencia y bajo ancho de banda que suelen estar dormidos y desconectados. Aunque los próximos protocolos, como Matter, deberían cambiar esta situación, protocolos ampliamente extendidos como 802.15.4, Zigbee y DigiMesh deben traducirse en la pasarela, actualmente, si necesitan llegar a Internet.

Tenga en cuenta que las pasarelas avanzadas como las que ofrece Digi admiten la distribución de firmware por aire, pero tenga en cuenta que otras marcas pueden no hacerlo. Además, Digi XCTU® permite la configuración y gestión local de los módulos XBee RF desplegados.

Ventajas de la comunicación inalámbrica con módulos RF

Concepto de conectividad en un entorno médico

Ya hemos hablado de las grandes ventajas de las comunicaciones por radiofrecuencia, sobre todo en lo que respecta al ahorro en los planes de telefonía móvil. También hay otros factores de coste para la radiofrecuencia. Los dispositivos de IoT a menudo tienen que ser muy baratos para garantizar que todo el sistema sea rentable. Aquí es donde las soluciones de RF pueden brillar realmente.

A continuación se presentan algunas ventajas clave adicionales de los dispositivos de comunicación por radiofrecuencia, todas las cuales repercuten en el coste total de propiedad:

  • Sus protocolos y hardware han sido rigurosamente optimizados para el ahorro.
  • Utilizan muy poca corriente y pueden dormir durante largos periodos de inactividad, por lo que las baterías pueden sobrevivir durante meses o incluso años sin necesidad de sustituirlas.
  • Los propios dispositivos son más sencillos, lo que significa que pueden ser físicamente más pequeños y menos costosos.
  • Sus antenas normalmente sólo tienen que soportar una única banda de frecuencias, lo que crea más ventajas de tamaño y coste que pueden allanar el camino hacia el beneficio.

 

Aplicaciones de las comunicaciones inalámbricas: Opciones de RF y celulares

Veamos algunas aplicaciones diferentes de la comunicación inalámbrica en los casos de uso de IoT para ver cómo se desarrollan estas opciones en situaciones del mundo real. En conjunto, estos ejemplos de comunicación inalámbrica ilustran los muchos tipos de aplicaciones y algunas de las consideraciones para los equipos de desarrolladores.

Supervisión y control de cortacéspedes robóticos para campos de golf

Robo-segadora

Los cortacéspedes se mueven, así que enseguida pensamos en la movilidad de los móviles. Los cortacéspedes necesitan mucha energía a bordo y son bastante grandes y caros, por lo que Digi XBee cellular es una buena opción también en este caso. El acceso directo al protocolo IP también simplifica el desarrollo de la arquitectura del sistema de apoyo. Cabe señalar que los módulos de comunicación por radiofrecuencia de largo alcance, como Digi XBee SX, también podrían servir, pero si el campo es grande, boscoso o accidentado, podrían ser necesarias varias pasarelas y repetidores, lo que podría hacer que el sistema fuera menos económico y menos robusto.

Lea nuestro estudio de caso de cliente con Renu Robotics para ver cómo eligieron un método de comunicación inalámbrica para sus cortacéspedes solares.

Control de fugas de agua en las salas mecánicas de los edificios

Detección de fugas de agua

Un cuarto de máquinas es un lugar interior, a veces situado bajo tierra, donde la cobertura celular puede ser inexistente. Se necesitarán múltiples sensores para garantizar que, independientemente de dónde se produzca una fuga, haya un sensor para detectarla. Querremos mantener los costes bajos, ya que se multiplicarán por el número de sensores. Si la habitación es lo suficientemente compacta como para que todos los dispositivos estén en el rango de radio de una pasarela, una solución punto a punto como el módulo Digi XBee 3 802.15.4 en micro huella es un gran ajuste, proporcionando una cobertura fiable y sin portadora a bajo coste y con poca complejidad.

Lea nuestro estudio de caso de cliente con el sistema de seguridad del agua de Enolgas para ver cómo eligieron un método de comunicación inalámbrica para su solución de detección de fugas en el hogar inteligente.

Alumbrado público municipal

Luces de la ciudad por la noche

Las farolas de una ciudad suelen estar a unos 30 metros de distancia, y una ciudad puede tener decenas de miles de ellas. Todo lo que sea municipal va a ser sensible a los costes, así que nuestro sistema de vigilancia y control de las farolas tendrá que funcionar con un presupuesto ajustado.

En este caso, una solución como la de Digi XBee 3 Zigbee podría crear una red de malla, pasando los mensajes de un poste de luz al siguiente hasta que lleguen a su destino. Algunas farolas albergarían una pasarela, quizá una por barrio, para pasar mensajes de control y estado de ida y vuelta a través de Internet o de la red IP privada de esa ciudad. Las farolas tienen mucha energía, por lo que todas ellas pueden ser nodos de enrutamiento Zigbee, lo que significa que si alguna unidad falla la red inalámbrica puede fácilmente sortear los problemas, creando una solución robusta y de bajo coste.

Lea nuestro estudio de caso de cliente con Sicom Electronics para ver cómo eligieron un método de comunicación inalámbrica para su solución de iluminación urbana inteligente.

Monitorización de máquinas de ejercicio para gimnasios

Cintas de correr en un gimnasio

El control de los usuarios, el registro de los entrenamientos y la supervisión del mantenimiento proporcionan un valor añadido a los socios, al tiempo que garantizan que los equipos funcionan cuando los necesitan. Como las máquinas de ejercicio suelen estar muy juntas y en el interior, esta es otra oportunidad de conexión en red. Las máquinas de pesas no suelen disponer de aire acondicionado, por lo que nuestros módulos inalámbricos funcionarán con baterías que deberán conservar.

La comunicación celular podría funcionar, técnicamente, pero los frecuentes cambios de batería y el coste generalmente más elevado de la telefonía celular hacen que no sea viable económicamente. Una solución de ahorro de energía como el Digi XBee 3 DigiMesh debería brillar aquí. Los costes serán bajos y los ciclos de reposo coordinados que proporciona DigiMesh pueden ayudar a que las baterías duren muchos meses mientras se mantiene una red autorreparadora sin cableado y probablemente con una sola pasarela.

Control de la presión arterial en casa

Control de la presión arterial en casa

Un sistema hospitalario para tomar la presión arterial en casa podría parecer un proyecto Zigbee o incluso Wi-Fi, protocolos muy utilizados en la domótica. Sin embargo, cuando se considera la logística, las cosas se vuelven más complejas. Los pacientes ancianos o poco saludables pueden no querer o incluso ser incapaces de unir nuevos dispositivos a su red doméstica. Lo ideal es que nuestra solución se comunique desde cualquier lugar sin necesidad de configuración.

Si estás pensando en el móvil, nosotros también. Los costes algo más elevados se verán compensados por las ventajas de la ausencia de configuración y la total movilidad. La presión arterial se mide con poca frecuencia en sesiones cortas, por lo que el mayor consumo de energía del celular no es una preocupación. Fuera de las mediciones diarias, el dispositivo suele estar apagado. Por último, dado que la monitorización en casa reduce las costosas estancias en el hospital, el coste marginal añadido de la telefonía móvil es comparativamente trivial. Este es un gran ejemplo de cómo el contexto es realmente importante a la hora de elegir una solución de comunicaciones IoT .

¿Necesita apoyo de ingeniería para conseguir que su diseño celular XBee o de RF sea prototipo, se pruebe y esté listo para la fabricación? Los expertos de Digi están preparados para ayudarle. Póngase en contacto con nuestro equipo de servicios de diseño inalámbrico para una consulta.

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