Tenemos un claro incremento del número de móviles y de dispositivos IoT conectados vía radio. Pero su nivel de Compatibilidad Electromagnética (CEM) permanece igual. Desde un punto de vista estadístico, se estima que van a aparecer más problemas de CEM. Veamos como debemos gestionar estos posibles problemas … (Leer más)
El número de dispositivos móviles, como los teléfonos inteligentes, las tabletas y los ordenadores portátiles ha aumentado significativamente en pocos años. Las TV inteligentes conectadas a internet, así como los dispositivos integrados en nuestra ropa, conectados vía radio, tienen un alto crecimiento. También ha aumentado el número de sensores conectados vía radio a una central de control para configurar sistemas que no necesitan apenas instalación con cables.Por ejemplo, sistemas de seguridad con sensores de movimiento “conectados” vía radio o sistemas de climatización con sensores de temperatura conectados a su central vía wifi o vía canales de radio específicos.
Todo junto contribuye a un aumento de las comunicaciones inalámbricas. Este incremento seguirá debido a la necesidad de mayores tasas de envío de datos. Si más dispositivos tienen que interactuar entre sí y su nivel de CEM (Compatibilidad Electromagnética) permanece en el nivel actual, desde un punto de vista estadístico, se estima que van a aparecer más problemas de CEM. Además, un dispositivo puede ser incompatible con otro, aunque hayan superado las pruebas de conformidad los dos por separado.
La tecnología denominada como “el internet de las cosas”, IoT en inglés (“Internet of Things”), parece haber aparecido hace relativamente poco tiempo, pero en realidad empezó hacia 2009, aunque entonces no se llamara IoT.
El gráfico adjunto muestra el gran incremento de dispositivos IoT que ha habido hasta ahora (2017) y va a seguir aumentando. No hay mucha literatura publicada sobre la gestión de la CEM y la tecnología IoT. Pero tecnológicamente no es estrictamente nuevo. Es más bien la conjunción de viejas tecnologías puestas en común para realizar nuevas funciones combinadas en un sistema interoperable estandarizado.
Cuando una nueva tecnología empieza a surgir en el mundo de la electrónica es importante tener un cuidado especial, especialmente cuando el cambio afecta a casi todos los productos electrónicos. Hace ya años que se usan diferentes soluciones para desarrollar toda la funcionalidad que agrupa el IoT. Se prevé que el IoT contendrá unos 20.000 millones de dispositivos en 2020. No es necesario que un producto IoT sea inalámbrico, pero como la instalación de cables es mucho más costosa que los chips inalámbricos, se espera que un alto porcentaje de los dispositivos IoT serán inalámbricos. La ventaja que ayuda a desarrollar el IoT es la abundancia de sensores.
Para gestionar bien la CEM, hay varios aspectos a considerar: las mediciones en el dominio del tiempo para tener en cuenta los ciclos de software, las emisiones de interferencia (EMI) dentro de la banda, un entorno electromagnético (EM) variable, las prestaciones de los componentes de CEM de bajo costo, la criticidad de la aplicación, la localización, la desintonización, la diafonía y las pruebas de software basadas en modelos. Es importante destacar que la CEM para el IoT debe considerarse desde una perspectiva a nivel de sistema configurado con todos los dispositivos IoT funcionando conjuntamente en un espacio limitado.
Otro aspecto relevante en la CEM del IoT es la gestión del espectro radioeléctrico. El número de dispositivos IoT, que se están instalando, es asombroso. Muchos de los dispositivos están utilizando actualmente bandas de frecuencia sin licencia. Esto deja muy poco ancho de banda a muchos otros dispositivos. Debería considerarse, por ejemplo, la congestión del espectro, la asignación del espectro, los problemas de campo cercano, la selectividad del receptor, los requisitos del ciclo de trabajo del transmisor y los protocolos de enrutamiento y de acceso al medio. Sin embargo, se puede argumentar que la mayoría de estas cuestiones deben caracterizarse como parámetros de radio relativos al diseño del sistema radioeléctrico, lo que da lugar, por ejemplo, a modelos de ruido de canal y la caracterización de las pérdidas. Por lo tanto, estos parámetros deben tratarse en documentos separados relacionados con el diseño radioeléctrico del IoT.
El problema del dominio del tiempo es básicamente que los ciclos del código del software determinan el ruido en esa instancia de tiempo. A medida que el software avanza a nuevas posiciones en el ciclo de su código, la emisión va cambiando. Se deben considerar las interferencias dentro de la banda de frecuencia de comunicación. Esto no es, en particular, un nuevo problema, pero el desafío para el IoT consiste en la gestión correcta de varios componentes, emisiones no intencionadas cercanas, el control de acceso a la tecnología utilizada y la congestión de otros dispositivos que utilizan la misma banda sin licencia, pero con diferente tecnología. Una amenaza emergente actual es el ataque intencional de los sistemas inalámbricos realizado por delincuentes. El entorno EM variable puede ser debido a la movilidad geográfica de los sensores inalámbricos porque éstos pueden colocarse fácilmente en muchos lugares y, por lo tanto, en diferentes entornos EM durante su ciclo de vida.
Las EMI generadas por dispositivos de bajo coste como por ejemplo, lámparas LED y fuentes de alimentación conmutadas pueden causar problemas. El problema es especialmente difícil para los dispositivos IoT inalámbricos. Los dispositivos inalámbricos tienen en general osciladores con frecuencias más altas que los dispositivos electrónicos más usuales. También tienen componentes específicos de RF tales como antenas y amplificadores de antena. Estas partes del circuito son a menudo muy susceptibles a las variaciones de temperatura de sus componentes, siendo más frecuentes en componentes de bajo coste. La criticidad de la aplicación es importante, ya que el IoT está basado en la interoperabilidad de los sensores conectados a internet. Esto significa que un sensor de movimiento, por ejemplo, puede ser comprado para uso general, pero usado en entornos críticos más exigentes. Por lo tanto, las pruebas de CEM podrían basarse en un caso de uso, comprobando el movimiento en una habitación. La criticidad de ese control puede variar mucho dependiendo de si la salida se utiliza para un simple interruptor de una luz o para una alarma de robo.
La localización es un problema de dos caras. La primera cuestión es que las antenas de los dispositivos inalámbricos a menudo se desintonizan cuando están cerca de materiales dieléctricos o conductores como el cuerpo humano u otros módulos electrónicos. Algunos circuitos integrados especializados incorporan internamente la función de sintonización automática del circuito de antena, para adaptarse a la cercanía del dispositivo a diversos materiales y así mantener correctamente bien sintonizada la frecuencia de comunicación. La segunda cuestión es la diafonía desde el transmisor de RF y la electrónica analógica y/o digital, y desde la electrónica analógica y/o digital al receptor de RF.
La prueba de software basada en modelos es una extensión natural del problema de criticidad de la aplicación. El modelo se refiere en este caso al modelo generado por el fabricante del producto con respecto a los criterios de rendimiento formulados por los requisitos esenciales de la Directiva de CEM. En las pruebas de software basadas en modelos, los errores de las pruebas de CEM deben incluirse en la prueba del software del sistema para simular que el sistema es capaz de manejar con seguridad cualquier EMI detectada.
En cuanto a las normas a aplicar para la conformidad de la Directiva de CEM 2014/30/UE, en vigor desde abril de 2016, se pueden resumir en la norma armonizada EN 61000-6-4 para las emisiones y la EN 61000-6-2 para la inmunidad. En resumen, las emisiones se dividen en: emisiones radiadas de 30 MHz a 1 GHz, emisiones radiadas de 1 a 6 GHz y emisiones conducidas de 150 kHz a 30 MHz. Para la inmunidad, las pruebas son: inmunidad radiada de 80 MHz a 1 GHz, inmunidad conducida de 150 kHz a 80 MHz, ráfagas de transitorios rápidos (EFT), sobretensiones (“surges”), bajadas de tensión (“dips”), interrupciones de tensión y descargas electrostáticas (ESD). Aquí debe tenerse en cuenta que la inmunidad conducida, las ráfagas y las sobretensiones deben ser aplicadas tanto en el lado de la red de 230V como en el lado de continua. Las ráfagas y la inmunidad conducida también deben aplicarse a los cables de señal y control. De forma similar, se deben aplicar ESD tanto con descargas al aire como con descargas de contacto.
Si un producto IoT incluye un transceptor de radio, el producto debe ser conforme con la Directiva de Equipos de radio (RED), en vigor desde junio de 2016 y, por lo tanto, los requisitos de CEM quedan determinados por las normas armonizadas en virtud de dicha Directiva. La Directiva RED requiere cumplir también con las normas armonizadas EN 61000-6-2 y EN 61000-6-4. Además de estas normas, pueden existir requisitos adicionales de CEM. Por ejemplo, en un producto genérico que transmite en la banda ISM de 2,4 GHz, estos requisitos se enumeran en la norma EN 301 489-1 (Compatibilidad electromagnética (EMC) para equipos y servicios de radio; Parte 1: Requisitos técnicos comunes) y la norma EN 300 328 (Compatibilidad electromagnética y cuestiones relacionadas con el espectro radioeléctrico; Sistemas de transmisión de banda ancha; Equipo de transmisión de datos en la banda ISM de 2,4 GHz utilizando técnicas de modulación de banda ancha). Este cambio de normas naturalmente conduce a un cambio en los requisitos del dispositivo.
La tabla adjunta anterior presenta los límites de las emisiones radiadas de las tres normas a considerar. En la norma 300 328 los límites están dados en dBm y se han pasado a dBμV/m y en todas ellas los límites se han adaptado a los 3 metros de distancia, para poder compararlos.
Los límites de las normas afectan a la electrónica del dispositivo en su conjunto, incluyendo la radio y la electrónica completa del producto IoT. Si el producto usa electrónica de potencia operando con grandes cargas, este cambio de límites puede provocar un costo adicional en los componentes de los filtros, necesarios para poder cumplir con la CEM.
Los límites de las tres normas varían en función de la frecuencia y se muestran en la gráfica adjunta. La norma EN 300 489-1 está incluida debido a que las emisiones radiadas espúreas para equipos auxiliares deben cumplir con los requisitos dados en esta norma. Por lo tanto, ahora hay tres conjuntos de requisitos para los mismos productos, donde el fabricante tiene que probar el producto frente al límite más bajo en cada rango de frecuencia para poder asegurar la conformidad con las Directivas CEM y RED. La línea negra en la gráfica es la envolvente de los límites mínimos de las tres normas, a 3 metros de distancia. Esta línea es, en suma, el límite conjunto que cualquier dispositivo IoT con radio usando la banda ISM de 2,4 GHz debe cumplir para ser conforme con las Directivas de CEM y RED a la vez.
Debe tenerse en cuenta que en el sentido reglamentario, los requisitos son, estrictamente, más parámetros de radio que parámetros de CEM, sin embargo los parámetros están relacionados con el ruido electromagnético. Por ello, además de los requisitos establecidos por la norma EN 61000-6-4, las normas EN 300 328 y EN 300 489-1 también requieren que se prueben los siguientes fenómenos: potencia de salida de RF, ciclo de trabajo y tiempo de transmisión acumulado, secuencia de los saltos de frecuencia, adaptabilidad y separación de frecuencias, ancho de banda del canal ocupado, emisiones espúreas fuera de banda y bloqueos del receptor.
Cabe señalar aquí que, dado que el producto debe ser conforme con los requisitos de la Directiva RED, también existen requisitos de seguridad (artículo 3 (1) (a)) y de uso eficiente del espectro (artículo 3 (2)). Si el producto se clasifica dentro de ciertas categorías, pueden haber requisitos de interoperabilidad, privacidad, fraude, etc., formando parte de las pruebas de CEM. Los fabricantes de productos regulados por normas de producto deben estar especialmente atentos. En el caso genérico anterior, la norma 61000-6-2 se aplica tanto bajo la Directiva CEM como la Directiva RED. Por lo tanto, la norma puede utilizarse en ambos casos para la presunción de conformidad con los requisitos esenciales.
Un aspecto particular de este reto es cuando el producto se diseña como una combinación de un módulo de radio y un producto ordinario sin radio. En la normativa europea no existe una definición legal de módulo, lo que significa que sólo puede tratarse como un producto completo. La combinación de dos productos con marcado CE no significa que el marcado CE pueda transferirse al producto final. Así, un módulo marcado CE integrado en un producto marcado CE, no significa que el producto final pueda directamente ser marcado CE sin realizar las pruebas correspondientes. En otras palabras, CE + CE ≠ CE. Por lo tanto, se deben realizar nuevas pruebas en el producto completo para asegurar la conformidad.
Referencias:
- Anders P. Mynster & Per Thåstrup Jensen, “EMC for the IoT”, DELTA – Danish Electronics, Light and Acoustics
- Gunter Langer, “Is EMC prepared to handle the challenges of the Internet of Things ?”, Interference Technology, March 2015.
- Antonio Liñán Colina, Alvaro Vives Marco, Zennaro Antoine Bagula, Ermanno Pietrosemoli, “Internet of Things in 5 days”, Zolertia
- Gardner, IDC, Strategy Analytics, Machine Research, company filings, BII estimates
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