Fallas de diseño inalámbrico

Con el potencial de generar ahorros de energía y costos operativos en casi todos los aspectos de la fabricación, incluidos el transporte y el almacenamiento, se prevé que el IIoT industrial de Internet de las cosas crezca exponencialmente. La conectividad inalámbrica puede acelerar la adopción de IIoT debido a su facilidad de instalación, aplicación y reconfiguración. Sin embargo, los argumentos en contra del uso de la tecnología inalámbrica en las aplicaciones de IIoT se han centrado en su confiabilidad, basándose principalmente en las experiencias negativas de los usuarios. Todo, desde los teclados inalámbricos hasta los agregadores de datos, sufre limitaciones de alcance, ¡y una sola pared de cemento a veces es el último asesino de alcance! La confiabilidad y la seguridad son críticas para las comunicaciones inalámbricas en instalaciones industriales donde la falla no es una opción.

Afortunadamente, la confiabilidad de las comunicaciones inalámbricas ha mejorado drásticamente en los últimos tiempos. Los avances significativos en la arquitectura de red y el rendimiento de RF han resultado en la implementación de innumerables dispositivos que utilizan comunicación inalámbrica de corto alcance en entornos industriales hostiles, como petróleo y gas y medidores de electricidad inteligentes. Sin embargo, a medida que maduran, es fácil asumir erróneamente que todas las tecnologías inalámbricas funcionan bien. Si bien cada vez es más fácil crear prototipos de productos que se comuniquen de forma inalámbrica, el rendimiento deficiente generalmente se puede atribuir a la falta de experiencia y conocimiento por parte del diseñador. Las fallas se pueden evitar siguiendo pautas de diseño simples desde el principio. En pocas palabras, la conexión inalámbrica no funcionará sin un diseño de RF adecuado. Es casi imposible abordar todas las razones posibles por las que un diseño de RF podría no funcionar, pero al revisar los errores comunes cometidos anteriormente, al menos se pueden evitar.

Quizás la pieza más crítica en un sistema de RF es la antena, la pieza de metal que impulsa la radiación electromagnética en el aire. Para que un producto de RF funcione lo mejor posible, la antena debe tener el tamaño adecuado para que coincida con la frecuencia de las señales de RF que transmite/recibe y debe ubicarse donde pueda irradiar libremente y sin obstrucciones. Un módulo de RF con una antena incorporada debe ubicarse en el borde de la PCB portadora con un corte a tierra. Las siguientes pautas se aplican a la antena:

Los circuitos de RF son susceptibles al ruido eléctrico y magnético. El ruido eléctrico puede contener armónicos de alta frecuencia, lo que desensibiliza el receptor de RF, o puede ser modulado y transmitido por el transmisor de RF, lo que da como resultado emisiones fuera de banda. Un circuito de RF debe ubicarse lejos de un sistema con una CPU de alta velocidad y un bus de memoria, ya que los armónicos producidos por señales de reloj rápidas también podrían desensibilizar el receptor de RF. Los circuitos de RF tampoco deben colocarse cerca de componentes de conmutación como triacs, fuentes de alimentación conmutadas o circuitos de control para motores eléctricos. Los transitorios producidos por la conmutación de voltaje pueden transmitirse como impulsos por la radio, lo que desensibiliza al receptor de RF.

Los dispositivos de RF generalmente pasan de un estado de muy bajo consumo de energía, donde el consumo de corriente es del orden de microamperios, a un estado activo, donde el consumo de corriente típico es del orden de varios miliamperios. Si el suministro (batería) que alimenta el dispositivo de RF no se elige correctamente, los cambios bruscos en el consumo de corriente pueden provocar caídas de voltaje, lo que puede provocar que un dispositivo de RF se reinicie y, por lo tanto, no transmita correctamente. Si un circuito de RF no se desacopla adecuadamente y el nivel de voltaje de la fuente de alimentación está cerca del umbral de restablecimiento, el circuito de RF puede restablecerse por caídas de voltaje durante las transmisiones inalámbricas.

Algunos ejemplos de la vida real de los errores anteriores incluyen:

Antena de RF ubicada cerca del ruido — Se implementó una puerta de enlace con una CPU de alta velocidad usando dos PCB: una para la PCB de la CPU y la otra con una antena integrada ubicada junto a un bus de memoria. El alcance del producto resultante fue de solo unos 2 metros. Cuando se rediseñó, la antena se alejó del bus de memoria y se alejó lo más posible de la PCB de la CPU (dadas las limitaciones del gabinete), y la gama de productos mejoró a más de 30 metros.

Ruido excesivo — El alcance de un atenuador de luz que usó un Triac fue de más de 30 metros cuando la luz se apagó o encendió por completo, pero cuando se usó el Triac para atenuar la luz, el alcance se redujo a menos de 10 metros ( debido al ruido del Triac). Los productos de atenuación similares de otros proveedores con una implementación diferente de la misma tecnología no experimentaron ninguna degradación en el rango, independientemente del estado del interruptor de atenuación.

Posición subóptima de la antena, incluyendo — Un motor de cortina donde la antena de alambre estaba ubicada dentro del recinto metálico; un termostato donde se ubicaba la antena detrás de una pantalla; o un televisor donde el módulo RF estaba ubicado detrás de la pantalla.

Fuente de alimentación estable — Un conmutador montado en la pared alimentado por baterías tipo moneda funcionó correctamente cuando se conectaron menos de cinco dispositivos a la red. Si se agregaron más de cinco dispositivos, la cantidad de corriente consumida resultó en una caída de voltaje que provocó que el interruptor se reiniciara.

El alcance y la confiabilidad de las comunicaciones inalámbricas han mejorado hasta tal punto que ahora es una solución de conectividad viable para dispositivos IIoT. Sin embargo, la buena tecnología se puede deshacer fácilmente por errores básicos de diseño. En este artículo, mostramos algunos ejemplos en los que los errores básicos de diseño han resultado en un rendimiento deficiente del producto y brindamos pautas para ayudar a los diseñadores a evitar repetir estos errores.

El autor, Olfert Paulsen, tiene el título de arquitecto de sistemas inalámbricos en Silicon Labs.

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