El microcontrolador es uno de los componentes más utilizados en las implementaciones de IoT, pero elegir el correcto para cada proyecto de IoT requiere cierta consideración.
Este pequeño circuito integrado suele incluir un procesador, memoria y periféricos de entrada y salida, todo ello en un único chip. Se dedica a controlar un número limitado de funciones, a menudo una sola operación, como regular el funcionamiento de los sistemas electromecánicos de un dispositivo. El diseño del microcontrolador realiza una tarea específica, y luego se incrusta en un sistema donde ejecuta perpetuamente esa función.
Una unidad microcontroladora (MCU) con su RAM, ROM y dispositivos periféricos contenidos puede funcionar de forma independiente. El funcionamiento independiente, especialmente cuando se combina con su pequeño tamaño, lo convierte en un elemento natural para las implantaciones de IoT. También es energéticamente eficiente, lo que significa que tiene bajos costos operativos y puede soportar movilidad extendida e implementaciones remotas. Su arquitectura controlada por software lo hace ágil.
Cuando se piensa en todas las cosas, gadgets y dispositivos inteligentes del IoT, en realidad se está hablando del mundo de los microcontroladores. En muchos casos, las MCU son el cerebro de estos pequeños dispositivos que a menudo tienen requisitos muy específicos de respuesta de procesamiento, duración de la batería o recopilación de datos de sensores.
Christopher Rommel, vicepresidente ejecutivo de IoT y tecnología industrial de VDC Research
Creciente demanda de microcontroladores IoT
En 2019 se enviaron más de 30 mil millones de unidades de microcontroladores, según un informe de febrero de 2020 de Grand View Research. La firma de investigación dijo que la creciente demanda de sistemas de control embebidos en dispositivos multifuncionales, como vehículos, robots, dispositivos médicos, radio móvil y electrodomésticos residenciales impulsa el mercado.
Grand View Research situó el tamaño del mercado mundial de microcontroladores en 20.820 millones de dólares en 2019 y predijo que alcanzará los 47.740 millones de dólares en 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 10,8% prevista para los próximos siete años. La firma atribuyó ese crecimiento al aumento de las aplicaciones de automatización e IA tanto en el segmento automotriz como en el industrial.
Los microcontroladores son uno de los tipos de procesadores más utilizados en el mercado de IoT. De hecho, hay más de 85 veces más MCU utilizados en aplicaciones IoT/integradas que CPU.
Rommel
Funciones de los microcontroladores para IoT
Un microcontrolador aporta inteligencia a IoT, afirma Kevin Eichhorst, arquitecto principal de soluciones en la división de Servicios de Diseño Inalámbrico de Digi International, proveedor de productos y servicios de conectividad IoT.
Pensemos en el uso de un sensor para determinar si un depósito está vacío, lleno o en algún punto intermedio. El sensor puede realizar la medición, pero un microcontrolador integrado en la radio debe darle sentido y enviar la información a un punto central, como una estación de control.
«Los microcontroladores están llevando la automatización a segmentos distribuidos de redes de soluciones IoT al permitir la ejecución autónoma de procesos de soluciones, en los que las decisiones de coordinación se toman en el extremo», afirma Miroslaw Ryba, responsable mundial de IoT en la firma de servicios profesionales EY.
Sin embargo, no todas las implementaciones de IoT utilizan MCU. Algunos utilizan CPUs, conjuntos de puertas programables en campo, circuitos integrados para aplicaciones específicas o GPUs. Las tecnologías de IoT más grandes, como puertas de enlace y servidores perimetrales, requieren computación menos especializada y, a menudo, utilizan CPU que ofrecen más rendimiento y soporte para software y stacks de sistemas operativos de uso más general.
«Sin embargo, incluso en los casos en que un dispositivo IoT puede utilizar otro tipo de procesador como unidad de cálculo principal del sistema, las MCUs pueden seguir utilizándose para el cálculo de subsistemas y periféricos en diseños más complejos», afirma Rommel. «Su utilidad para abordar necesidades en tiempo real, basadas en sensores y de redundancia las convierten en una opción clara para muchos proyectos».
Selección de un microcontrolador
Hay numerosos fabricantes de microcontroladores IoT, tipos de producto -incluidos los de 8, 16 y 32 bits- y casos de uso que segmentan aún más el mercado, lo que hace que los criterios de selección sean una parte importante del diseño IoT.
«El factor central que define la especificación de los componentes [de un microcontrolador IoT] sería el propio caso de uso, que define un conjunto de características funcionales y no funcionales requeridas», afirma Ryba.
Las políticas tecnológicas de las empresas, así como las normativas gubernamentales y del mercado, también deberían influir en las decisiones de selección. Según los expertos, los criterios de selección incluyen:
- Aplicabilidad de uso funcional y no funcional
- Factores de soporte y desarrollo
- Costes operativos
- Riesgos medioambientales, sanitarios y de seguridad, junto con los costes de mitigación correspondientes
- Exposición a riesgos de ciberseguridad.
Los ingenieros de IoT también deben tener en cuenta las interfaces del microcontrolador, así como la cantidad de memoria de la MCU, su velocidad y su consumo de energía, explica Eichhorst. Por ejemplo, los ingenieros pueden necesitar saber si el microcontrolador se integra con Bluetooth.
El factor central que define la especificación de los componentes [de un microcontrolador IoT] sería el propio caso de uso, que define un conjunto de características funcionales y no funcionales necesarias.
Miroslaw Ryba
Director mundial de IoT, EY
Los ingenieros deben tener en cuenta factores externos, como si el microcontrolador formará parte de un despliegue de IoT que se utilizará en temperaturas o condiciones extremas, explica Eichhorst. Los microcontroladores utilizados en sistemas espaciales, por ejemplo, deben ser resistentes a la radiación.
Los expertos también insistieron en la necesidad de pensar con amplitud de miras a la hora de seleccionar los microcontroladores adecuados para los proyectos de IoT.
«Es fundamental que las organizaciones de ingeniería piensen ahora más allá de las velocidades y las alimentaciones a la hora de seleccionar su MCU, y se centren en el impacto de la MCU en todo el diseño del dispositivo y el ciclo de vida de despliegue», dijo Rommel. «Cabe destacar el valor que un proveedor de MCU debe aportar al proceso de desarrollo de software, dada la importancia de este último para la funcionalidad y diferenciación de los dispositivos IoT.»
La empresa de Rommel encuestó a ingenieros sobre qué era lo más importante para ellos en la selección de procesadores y descubrió que un número cada vez mayor citaba criterios relacionados con el software y las herramientas.
«Más allá de la creciente importancia de tener acceso a un conjunto de soluciones integradas de software y desarrollo para ayudar a acelerar el desarrollo, a menudo es importante considerar los otros requisitos únicos de un diseño al elegir una MCU. En el sector industrial, el ciclo de vida prolongado puede ser muy importante, al igual que el consumo energético de cualquier dispositivo alimentado por batería», afirma Rommel.