Cómo crear una entrada a Internet de las cosas

La conectividad puede agregar un gran valor a muchas aplicaciones integradas. En sistemas industriales, por ejemplo, el equipo se puede comunicar con sensores remotos, con otro equipo final y con una consola de administración centralizada para mejorar la confiabilidad y la productividad. Extender la conectividad más allá de la LAN hacia la WAN a menudo se conoce como Internet de la cosas (IoT) o Internet para todo (IoE). Para muchas aplicaciones, conectar dispositivos a la nube de IoT proporciona beneficios adicionales para todo el ecosistema: los clientes finales, los proveedores de servicios y los fabricantes de equipos originales.

El desafío de la conectividad

Se hicieron muchos adelantos en el avance hacia la tecnología IoT en aplicaciones industriales debido al valor obtenido al conectar un equipo final para la automatización, la confiabilidad del sistema y la administración centralizada. Aunque se desarrollaron para aplicaciones industriales, muchos de estos adelantos se aplican a todo tipo de sistemas integrados, incluidos los dispositivos utilizables, monitores médicos, dispositivos de seguridad, HVAC residencial y comercial, y un sinnúmero de aplicaciones en evolución del consumidor.

Para muchos ingenieros, uno de los mayores desafíos al diseñar Internet para las cosas (IoT) es la conectividad segura. Implementar el acceso sólido y seguro a Internet o a la Red de amplio alcance (WAN) está fuera de su rango de experiencia. En segundo lugar, para el que diseño sea aún más difícil, los desarrolladores necesitan admitir el acceso a varios dispositivos limitado en su capacidad de procesamiento. La conectividad también se debe agregar de manera que no impacte negativamente en el costo general o en la eficiencia energética del sistema.

La diversidad de terminales que debe admitir una entrada genera también preocupaciones sobre el diseño. Conectar directamente un nodo simple, como un sensor de presión, a Internet puede ser complejo y costoso; especialmente si el nodo no tiene un procesador propio. Además, diferentes tipos de equipos finales admiten una variedad de interfaces. Recopilar y agregar datos desde un conjunto dispar de nodos requiere un medio para unir de manera coherente y confiable los dispositivos con un rango de capacidades de procesamiento e interfaces.

Las entradas ofrecen un medio elegante para simplificar la red de "cosas". Lo logran al admitir las diferentes maneras en que los nodos se conectan negativamente, ya sea una tensión variable desde un sensor sin procesar, un flujo de datos en I2C desde un codificador o actualizaciones periódicas desde un dispositivo por Bluetooth®. Las entradas mitigan eficazmente la gran variedad y diversidad de dispositivos al consolidar los datos de fuentes dispares e interfaces, y llevándolos a Internet. El resultado es que los nodos individuales no necesitan resistir la complejidad ni el costo de una interfaz de Internet de alta velocidad para conectarse.

Entradas de control integrado en comparación con las simples

Existen varias maneras de implementar una entrada de IoT, según la aplicación. Dos enfoques comunes son una entrada simple y una entrada de control integrado. Ambas proporcionan conectividad consolidada al agregar datos desde varios terminales. En general, una entrada simple organiza los datos en paquetes para transportarlos en Internet. También es responsable de distribuir los datos a los terminales en aplicaciones donde las comunicaciones bilaterales son ventajosas o requeridas.

Tenga en cuenta que una entrada es diferente a un router. Un router administra tráfico similar y conecta los dispositivos que comparten una interfaz en común. Por ejemplo, los dispositivos que se conectan a un router principal todos usan IP. Por el contrario, como una entrada funciona como un puente, debe poder dirigir diferentes tipos de tráfico, agregar datos de interfaces de comunicación cambiantes y convertir estos flujos en
un protocolo común para el acceso por la WAN. Algunos dispositivos pueden usar IP de forma nativa, mientras que otros pueden usar no IP, también conocidos como protocolos basados en PAN, como Bluetooth, ZigBee o 6LoWPAN. Es posible que los nodos del sensor simples necesiten estar conectados a un ADC para convertir la tensión análoga sin procesar a un valor digital antes del transporte.

Una entrada de control integrada extiende la funcionalidad de una entrada simple al proporcionar recursos de procesamiento e inteligencia para manipular las aplicaciones locales. Esto puede tomar la forma de recursos de procesamiento compartidos donde la entrada realiza tareas que de otra manera ocurrirían en los nodos. 


Por ejemplo, una entrada de control integrada podría evaluar y filtrar los datos del sensor e implementar las tareas de administración de alto nivel. Luego de evaluar y filtrar los datos del sensor, una entrada podría determinar si se alcanzó un umbral crítico. Si es así, luego podría activar una alarma que pasa por la red para alertar al administrador adecuado.

Tener una entrada de IoT de control integrada puede reducir tanto la complejidad como el costo de los terminales. Según la aplicación, esto puede generar ahorros significativos del sistema. Considere un sistema de seguridad con una variedad de sensores a los que se conecta. Consolidar el procesamiento, como el filtrado de datos del sensor, en la entrada permite que los nodos aprovechen un recurso compartido, lo que hace que cada nodo sea más simple y que tenga menor costo.

Lo mismo se aplica para habilitar la conectividad. El protocolo de Internet (IP) es un protocolo complejo para implementar con gastos relativamente altos para nodos IoT más simples. En cambio, los nodos simples se pueden conectar con una PAN usando una conexión por medio de cables como I2C o una interfaz inalámbrica como Bluetooth. La entrada también se conecta a la PAN, y luego une cada conexión con la interfaz WAN basada en IP como Wi-Fi o Ethernet. En ambos casos, los ahorros incluyen menores requerimientos de procesamiento, memoria y energía. Por lo tanto, los nodos pueden ser menos costos y más eficientes.

Cuando estos ahorros se extienden en una red, se suman rápidamente. Cuando los terminales tienen que alojar su propia inteligencia y conectividad WAN, requieren una arquitectura más compleja. Al usar una arquitectura consolidada o compartida, se puede reducir significativamente el costo de cada terminal, más que constituir un aumento en el costo de la entrada a través de los ahorros por volumen. Reducir la complejidad de los nodos también reduce el consumo general de energía de las aplicaciones donde los nodos tienen una duración limitada de la batería u operan con fuentes que extraen energía.

La inteligencia distribuida también acelera la implementación de nuevas aplicaciones. Considere los electrodomésticos inteligentes que usan la información de la hora del día del medidor eléctrico para no operar en las horas pico y reducir los costos de energía. Implementar esta inteligencia a nivel del nodo requiere que la lavadora, la secadora y la lavadora de platos puedan comunicarse con el medidor eléctrico. Cuando cada electrodoméstico viene de una compañía diferente, la interfaz para usar esta función diferirá y esto creará problemas de interoperabilidad. Además, para aprovechar esta función, los consumidores necesitarían comprar nuevos electrodomésticos.

Habilitar la inteligencia en una entrada trata los problemas de interoperabilidad a nivel local y minimiza los cambios requeridos para conectar los electrodomésticos. En lugar de requerir inteligencia completa en cada electrodoméstico, la entrada puede proporcionar la inteligencia básica para todos los dispositivos. Esto también tiene la ventaja de consolidar la administración de nuevas características para los consumidores, en lugar de la necesidad de comprender e integrar cada nuevo electrodoméstico cuando entra al hogar, el consumidor solo tiene que entender cómo administrar la entrada. Una entrada inteligente también resuelve mejor los problemas que surgen de la conexión de nodos dispares en comparación con los usuarios que conectan manualmente cada dispositivo o electrodoméstico a Internet.

Para muchas aplicaciones, una entrada inteligente puede eliminar la necesidad de un terminal de control o administración en el sitio dedicado. Por ejemplo, con un controlador LCD integrado, una entrada puede admitir una interfaz del usuario de manera que los usuarios puedan interactuar directamente con los nodos. Alternativamente, una entrada inteligente puede proporcionar una interfaz de usuario basada en la web (accesible mediante una PC, tablet o teléfono inteligente) para permitir a los usuarios acceder fácilmente a aplicaciones integradas adicionales. Esto permite que la entrada sirva como un punto de control en el sitio flexible y dinámicamente programable. Esto a su vez baja el costo de la instalación de nuevos sistemas y habilita a terceros a
introducir nueva tecnología y dispositivos con un costo de entrada significativamente más bajo.


Finalmente, una entrada puede servir como una tela entre los nodos localizados cuando se pierde el acceso a Internet o se interrumpe temporalmente. Esto garantiza una conectividad local sólida sin la nube, lo que aumenta la confiabilidad de la red local para mantener sus funciones destinadas.

Cómo se conectan las entradas

El aspecto más poderosos de IoT es lo que todavía no podemos ver. El valor de administrar los electrodomésticos para el uso a la hora del día o de simplificar los nodos de seguridad es claro porque estos electrodomésticos son parecidos a lo que ya conocemos. Lo que todavía no es obvio es cómo la tecnología IoT habilitará las aplicaciones completamente nuevas que todavía no hemos imaginado. Por ejemplo, cuando los teléfonos móviles se convirtieron en teléfonos inteligentes, algunos anticiparon
que se convertirían en plataformas abiertas para aplicaciones que pueden hacer de todo desde llevar un registro de nuestras calorías hasta conectarnos rápida e íntimamente por Twitter e Instagram.

Hoy en día, las aplicaciones IoT con el perfil más alto son las industriales, las médicas y las de seguridad. A medida que esta tecnología madura, es claro que modificará completamente la forma en que vivimos y en que hacemos negocios en cada industria.

La MCU de entrada IoT TM4C129x IoT

Idealmente, los fabricantes de equipos originales necesitan una manera no complicada de introducir la conectividad en los diseños nuevos y en los existentes. Para facilitar el diseño acelerado de las entradas de control integradas y simples, TI ofrece la familia TM4C129x de MCU de IoT. Las MCU TM4C129x se basan en un núcleo ARM® Cortex®-M4 de 120 MHz con capacidades de punto flotante, como se muestra en la Figura 2. Esto permite que el procesador administre de varios a muchos para descargar el procesamiento para nodos individuales. De este modo, les brinda a los fabricantes de equipos originales la flexibilidad y libertad sin precedentes para desarrollar y conectar cualquier sistema a IoT.


Las MCU TM4C129x simplifican la conectividad de IP para las entradas al integrar una cantidad de tecnologías clave:


- MAC y PHY en chip: la familia MCU TM4C129x MCU es la primera familia basada en ARM Cortex-M4F que integra
MAC y PHY 10/100 Ethernet. Tener PHY en chip, como se muestra en la Figura 3, proporciona muchos beneficios. Reducir la cantidad de componentes, incluidos los pasivos, simplifica la complejidad del diseño y esto genera un montaje más sencillo, menos ruidos de las señales externas y un costo más bajo. Los diseños requieren menos espacio PCB y las comunicaciones sin errores se extienden más allá del cable estándar de 100 m. Juntos, agregan una ventaja apreciable en comparación con los diseños tradicionales que usan un PHY externo.

- Seguridad: muchas aplicaciones de IoT administran datos potencialmente confidenciales. Por ejemplo, los datos que se usan para la facturación se deben proteger de los hackers. Similarmente, los dispositivos médicos deben mantener la privacidad de las personas. Con la aceleración criptográfica basada en hardware y la pila TLS/SSL, las MCU TM4C129x permiten a los fabricantes de equipos originales implementar fuertes mecanismos de seguridad con pocos gastos para minimizar las amenazas y maximizar la protección de datos. Esto lo logra al descargar eficientemente el procesamiento de seguridad desde los nodos hasta la entrada para garantizar la autenticación adecuada, proteger los intercambios de datos y la propiedad intelectual. Esto habilita a los nodos de IoT a implementar mayor seguridad de lo que se podría implementar económicamente en las terminales individuales.

- Protección inviolable: para las aplicaciones que necesitan otro nivel de seguridad, como las aplicaciones industriales o médicas donde los activos costosos o la vida de una persona pueden estar en riesgo, las MCU TM4C129x ofrecen mecanismos integrados a fin de proteger las entradas para que no sean hackeadas y utilizadas. Las funciones de protección incluyen la protección del programa o código de solo ejecución, la protección de solo lectura para bloquear los bloques de memoria individuales para que no se modifiquen, el bloqueo del puerto de depuración, EEPROM protegido para la seguridad de los datos, contraseñas y claves, y la detección de alteraciones de manera que los sistemas puedan asegurar o eliminar de forma masiva los datos confidenciales si se abre la caja del sistema o se viola de otra manera.

- Grandes recursos memoria: debido a que consolida los datos desde varios nodos, una entrada tiene que poder manipular flujos paralelos. Con 256 KB de SRAM y un flash de 1 MB de 100 000 ciclos, las MCU TM4C129x tienen memoria suficiente para admitir varias pilas de comunicaciones complejas con el búfer suficiente como para mantener la solidez del sistema. 6 KB de EEPROM también está disponible para almacenar datos útiles y vitales de la aplicación que se deben proteger, incluidas claves, contraseñas, configuraciones, valores monetarios y umbrales críticos.

Capacidades de conectividad extensivas: las MCU TM4C129x admiten una amplia gama de periféricos e interfaces. Por ejemplo, con sus diez puertos I2C, las MCU TM4C129x pueden conectarse directamente a muchos nodos o sensores sin el costo agregado de un multiplexor.
- Dos CAN
- Diez I2C
- USB 2.0 OTG con UPLI de alta velocidad
- Ocho UART
- Cuatro Quad SSI
- ADC de 12 bits, 2 MSPS > 20 canales
- Interfaz para la codificación de la cuadratura (QEI/QEP)
- Ocho salidas de modulación por ancho de pulsos (PWM) avanzadas de 16 bits
- Hasta 140 puertos GPIO

- Eficiencia energética: las capacidades de procesamiento de las MCU TM4C129x permiten a los fabricantes de equipos originales mejorar el consumo general de energía al permitir a los nodos con energía limitada descargar el procesamiento en la entrada y gastar menos tiempo en los modos operativos de poca energía.

- Rango de temperatura: las MCU TM4C129x están disponibles en grados de temperatura industrial (-40 a +85 °C) y extendido (-40 a +105 °C)
para admitir diversos entornos operativos.

- Integración flexible: la familia de MCU TM4C129x posee diferentes opciones de memoria e integración en diferentes paquetes para cumplir con los requerimientos de procesamiento y conectividad de una amplia gama de aplicaciones. Los periféricos incluyen un controlador LCD opcional. La integración de nivel alto de las MCU TM4C129x también genera menores requerimientos de PCB, menor complejidad de la placa, interconexión simplificada del dispositivo, potencial reducido para las bajas de fabricación.

Facilidad de diseño



Una parte del valor de las MCU TM4C129x es la integración con las ofertas de software extensivas de TI y la cartera de hardware. El objetivo de TI es hacer que el diseño de la entrada y el dispositivo de IoT sea los más sencillo posible. El software que habilita la producción está disponible, desde TivaWare™, TI-RTOS (vea la Figura 4) y hasta el código de nivel de la aplicación. El diseño de hardware y de software es admitido por una variedad de recursos de TI. Con indicadores de dispositivos basados en ROM, bibliotecas de software extensivas, soporte de RTOS, pilas de red y aplicaciones de ejemplo,los fabricantes de equipos originales pueden diseñar rápidamente su propia entrada e introducir la conectividad de IoT en una amplia gama de dispositivos y aplicaciones. 

La conectividad también se simplifica con API de software que permiten a los desarrolladores nuevos en la tecnología inalámbrica implementar protocolos como
Bluetooth y Wi-Fi sin ningún desarrollo del indicador de nivel bajo. TI proporciona bloques de creación para desarrollar agentes de IoT personalizados. Estos bloques están disponibles mediante el software TivaWare de TI, como se muestra en la Figura 5, TIRTOS y numerosos socios dentro del ecosistema de nube de IoT de TI.

Los desarrolladores pueden integrar rápidamente las MCU TM4C129x con los transceptores de radio con conectividad inalámbrica de TI y otros componentes para conectar las entradas a Internet y los nodos usando varias tecnologías de radio. TI también tiene una amplia cartera de otros productos asociados requeridos para las aplicaciones de IoT, incluidos los componentes análogos e IC de administración de potencia, entre otros. Los desarrolladores pueden evaluar las MCU TM4C129x con el Kit de evaluación TM4C129x (EK-TM4C1294XL). Este kit, a un precio de USD 19.99, también es admitido por el tercero de TI Energia y permite a los profesionales novatos experimentar el diseño con la conectividad de IoT. Para el diseño acelerado del producto, TI también ofrece el Kit de desarrollo conectado TM4C129x (DKTM4C129X). Con un precio de USD 199.00, proporciona una entrada asequible al diseño de IoT con capacidades de diseño completamente destacadas y acceso a todas las entradas y salidas del chip. Ambos kits están completamente admitidos por el entorno de desarrollo integrado (IDE) de Keil, IAR, Mentor Embedded and Code Composer Studio™, esto les brinda a los desarrolladores su opción del entorno de diseño.

El ecosistema de TI también proporciona un nivel integral de soporte del desarrollo en varios canales. Estos incluyen ingenieros de aplicación de campo de TI, distribuidores autorizados y la comunidad de TI E2E™.

Cómo introducir la IoT a las nuevas aplicaciones

La conectividad de Internet integrada es más que una tendencia. La IoT está llegando rápidamente más allá de las aplicaciones nicho industriales y médicas en cada mercado que utiliza la electrónica. La madurez de las soluciones de conectividad actuales significa que los desarrolladores pueden introducir el acceso a Internet en casi cualquier aplicación a través de entradas de IoT con un esfuerzo mínimo de desarrollo.

Las MCU TM4C129x de TI permiten el diseño de entradas inteligentes con control integrado. La habilidad de descargar el procesamiento de datos y la administración de IoT de los nodos a la entrada puede reducir la complejidad del nodo, mejorar la eficiencia energética y disminuir significativamente el costo del sistema. Además, las entradas inteligentes pueden aumentar realmente la capacidad de procesamiento de los nodos y sus aplicaciones para extender su alcance y sus capacidades.

Las MCU TM4C129x proporcionan una solución completa que hace que sea más fácil construir entradas que conectan de manera fiable dispositivos a IoT. Los fabricantes de equipos originales pueden diseñar de manera fiable entradas que proporcionen seguridad total y admitan una amplia diversidad de terminales e interfaces. La familia de MCU TM4C129x también está diseñada para minimizar el consumo de energía y reducir el costo del sistema mientras se minimizan las capacidades de los sistemas sensibles a la energía.

La integración de hardware y software que ofrecen las MCU TM4C129x hacen que sea mucho más fácil para los desarrolladores conectar dispositivos dispares simple y fácilmente sin requerir de un rediseño total. Detrás de la familia de MCU TM4C129x hay una gama completa de software de producción y componentes de comunicaciones con cables o inalámbricos necesarios.

Con las MCU TM4C129x de TI, los fabricantes de equipos originales pueden crear entradas simples y avanzadas para conectar casi cualquier dispositivo a IoT.

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