PLATAFORMA HARDWARE DE ALTA CONECTIVIDAD Y MUY BAJO CONSUMO ENERGÉTICO.
Plataforma hardware que permite una alta conectividad tanto por cable como de forma inalámbrica,
asegurando un ultra bajo consumo mediante el uso de fuentes de alimentación conmutadas y la combinación de tecnologías especialmente pensadas para ultra bajo consumo con otras tecnologías de comunicaciones. Comprende además un sistema de adquisición de datos de alta precisión y un módulo GPS para la geolocalización de la plataforma. Su diseño modular permite desconectar las diferentes partes de la plataforma de forma local o remota, para asegurar una alta autonomía de alimentación. Permite la depuración en línea y captura de tráfico en tiempo real entre los distintos módulos de la plataforma. Permite la desconexión de las interfaces de comunicaciones entre sus componentes, pudiendo ser reutilizadas para la extensibilidad del hardware. Garantiza la integridad y confidencialidad de los datos mediante cifrado, durante las comunicaciones dentro y fuera de la plataforma, por cable y de forma inalámbrica.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200931303.
Solicitante: UNIVERSIDADE DA CORUÑA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: RODAS GONZÁLEZ,JAVIER, ESCUDERO CASCÓN,CARLOS JAVIER.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G06F17/40 FISICA. › G06 CALCULO; CONTEO. › G06F PROCESAMIENTO ELECTRICO DE DATOS DIGITALES (sistemas de computadores basados en modelos de cálculo específicos G06N). › G06F 17/00 Equipo o métodos de procesamiento de datos o de cálculo digital, especialmente adaptados para funciones específicas (recuperación de la información, estructuras de las bases de datos o estructuras de los sistemas de archivos G06F 16/00). › Adquisición y consignación de datos (para entrada al computador G06F 3/00).
- H04W52/02 ELECTRICIDAD. › H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS. › H04W REDES DE COMUNICACION INALAMBRICAS (difusión H04H; sistemas de comunicación que utilizan enlaces inalámbricos para comunicación no selectiva, p. ej. extensiones inalámbricas H04M 1/72). › H04W 52/00 Gestión de potencia. › Disposiciones para ahorro de potencia.
Fragmento de la descripción:
PLATAFORMA HARDWARE DE ALTA CONECTIVIDAD Y MUY
BAJO CONSUMO ENERGÉTICOOBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una plataforma hardware, gracias a la cual se pueden implementar multitud de aplicaciones cuya principal necesidad sea un consumo extremadamente bajo, que permita una autonomía de meses o años (según la aplicación) cuando se utilizan baterías para alimentarla, pero que al mismo tiempo requieren una alta conectividad cableada o inalámbrica.
La plataforma de la invención pone a disposición del usuario un entorno completo donde realizar pruebas, simulaciones y experimentos relacionados con las redes de sensores inalámbricas, el muestro de sensores y aplicaciones industriales similares, tanto en tiempo real como diferido.
Sectores posibles de aplicación serían la agricultura (condiciones óptimas de cultivo, polución, …) y ganadería (gestión eficiente de agua y alimentos, cuidado de animales, …) , medio ambiente (detección y prevención de incendios, alarmas de polución, …) , salud (sensores biométricos y ambientales, …) , conectividad (cableada e inalámbrica, protocolos seguros, cifrado, …) , seguridad y emergencias (detección de intrusos, notificación rápida de alarmas, robos, …) , automoción (seguridad, telemetría, alarmas, …) , procesos industriales (detección de gases, seguridad, niveles de radiación, fermentación, …) , logística (identificación, localización, trazabilidad, …) , hogar (lectura de contadores de luz, agua, gas, soluciones de control y gestión inteligentes, …) , etc.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la actualidad existen productos de diferentes fabricantes que 5 ofrecen ciertas posibilidades de conectividad cableada o inalámbrica. El típico problema de la mayoría de estas tecnologías es que requieren grandes cantidades de energía para su correcto funcionamiento, al no haber sido diseñadas para bajo consumo ni, por tanto, para su integración en dispositivos alimentados por baterías, donde la principal necesidad es un bajo consumo de sus componentes, 1 O para maximizar la autonomía de sus baterías. Debido a la proliferación de todo tipo de dispositivos portátiles como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, PDAs, PNAs, MIDs, netbooks, nettops, etc, que son dispositivos pensados para ser portátiles y de bajo consumo, 15 nuevos estándares y tecnologías han ido apareciendo en la actualidad, para ir sustituyendo a otras tecnologías anteriores en la medida de lo posible. Sin embargo, la mayoría de ellas continúan sin estar especialmente pensadas para ultra bajo consumo y, por tanto, siguen sin ser válidas para ciertas aplicaciones donde la autonomía de las baterías debe ser de meses o incluso años. En ciertos 20 escenarios sólo es posible alimentar la plataforma mediante baterías, por no disponer de red eléctrica. En otros, los costes que implicarían el acceso y reemplazo de las baterías serían demasiado elevados. Por tanto, en estos escenarios se debe garantizar una elevada autonomía controlando de forma exhaustiva el consumo de los elementos que forman la plataforma. 25 Tecnologías de aparición reciente como ZigBee (en el 2005) o Bluetooth Low Energy (todavía en desarrollo en la actualidad) , se presentan como soluciones muy válidas para este tipo de aplicaciones, permitiendo consumos controlados del orden de los microwatios durante la gran mayoría del tiempo. 5 Los dispositivos existentes en la actualidad, utilizados en todo tipo de sectores, como industria, automoción, hogar, medicina, etc., en relación con la conectividad y consumo, se suelen caracterizar por: 1 O l. Tener ciertas capacidades de comunicación, pero no estar pensados para ser alimentados mediante baterías. 2. Poder ser alimentados mediante baterías, pero no con una alta autonomía de meses o años. 3. Poder ser alimentados mediante baterías durante largos períodos de tiempo, pero con limitadas capacidades de comunicación y/o procesado. 15 20 El objetivo de esta invención es la construcción de una plataforma potente y flexible que supere todas estas limitaciones, y que permita implementar aplicaciones de ultra bajo consumo manteniendo una alta conectividad tanto cableada como inalámbrica. Se entenderá por ultra bajo consumo energético a aquel que esté por debajo de sustancialmente 620 1-lW. Este será el consumo de la plataforma en estado de reposo, en el que deberán permanecer sus componentes la mayor parte del tiempo posible (según la aplicación lo permita) . 25 Para conseguir este fin, se han integrando tanto tecnologías de comunicación de ultra bajo consumo, como son la unidad central de procesado y el módulo inalámbrico de comunicaciones elegidos, con otras tecnologías no pensadas para bajo consumo. Todo ello, sumado a un diseño modular e innovador, permite garantizar en todo momento que el sistema puede realizar una desconexión total o partial de las partes, así como garantizar que ciertos componentes estén activos (no en reposo) el tiempo imprescindible, para garantizar un consumo ultra bajo global. 5 Como se ha comentado anteriormente, la plataforma de la invención pone a disposición del usuario un entorno completo donde realizar pruebas, simulaciones y experimentos relacionados con las redes de sensores inalámbricas, el muestro de sensores y aplicaciones industriales similares, tanto en tiempo real como diferido. 1O 15 20 Para aplicaciones industriales relacionadas con el muestreo de sensores, la plataforma de la invención puede muestrear con alta precisión todo tipo de sensores resistivos, capacitivos y magnéticos: potenciómetros, galgas extensiométricas, R TD (Resistence Temperature Detector) y PRT (Platinum Resistence Thermometer) , Termistores NTC y PTC, magnetoresistencias, fotoresistencias LDR (Light Dependent Resistor) , higrómetros, resistencias semiconductoras para detección de gas, etc. La plataforma de la invención puede, por tanto, muestrear sensores de vibración, movimiento/aceleración, ángulo, dirección magnética, luz infrarrojaultravioleta, temperatura, humedad, sonido, fuerza, desplazamiento, presión, diferentes tipos de gases (C02, Metano, Oxígeno, Hidrógeno, gas combustible, gases licuados del petróleo (LPG) , etc.) , sensores telemétricos, etc. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 25 Para conseguir este y otros objetivos, la presente invención proporciona una plataforma según la reivindicación independiente l. Las realizaciones particulares de la plataforma objeto de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes. La plataforma hardware de la invención comprende:- una unidad central de proceso (MC) , con capacidad de funcionar de forma autónoma y de entrar en modo de reposo, -un módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) , con capacidad de procesado y de funcionar de forma autónoma, -un módulo de comunicaciones cableado (ETH) , con capacidad de procesado y de funcionar de forma autónoma, -uno o más módulos transceptores con capacidad de enviar y recibir datos entre
uno o más puertos serie UART y uno o más puertos cableados, -dos o más fuentes de alimentación (PSUl, PSU2) , -un módulo de adquisición de datos (SAD) , -un módem de red celular (GSM) , y -un módulo receptor GPS (GPS) .
En una realización de la invención, el módulo de comumcacwnes inalámbricas (ZB) cumple el estándar IEEE 802.15.4 o cualquier variante de ZigBee y ZigBee-PRO.
En una realización de la invención, las dos o más fuentes de alimentación (PSUl, PSU2) tienen capacidad de ser apagadas a través de una entrada digital y un muy bajo nivel de corriente quiescente.
El nivel de corriente quiescente de una fuente de alimentación representa el consumo de la propia fuente aun sin tener ninguna carga conectada a la salida.
En una realización de la invención, el módulo de adquisición de datos (SAD) es de bajo consumo y al menos 16 bits de precisión.
En el contexto de la presente invención se entenderá que un bajo consumo del módulo de adquisición de datos son sustancialmente 500¡..lA a 3.3V, y un bajo nivel de corriente quiescente son sustancialmente 50 ¡..lA a 12V. 5 En una realización de la invención la unidad central de procesado tiene capacidades de cifrado en tiempo real, al menos cifrado AES. En una realización de la invención el módulo de comunicaciones cableado tiene capacidades de cifrado en tiempo real, al menos cifrado AES. 1 O Ventajosamente, la plataforma según la invención tiene una alta conectividad con otros sistemas de forma cableada e inalámbrica, de forma local y remota,...
Reivindicaciones:
R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, caracterizada porque comprende: -una unidad central de proceso (MC) , con capacidad de funcionar de forma autónoma y de entrar en modo de reposo, -un módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) , con capacidad de procesado y de funcionar de forma autónoma, -un módulo de comunicaciones cableado (ETH) , con capacidad de procesado y de funcionar de forma autónoma, -al menos un módulo transceptor con capacidad de enviar y recibir datos entre uno o más puertos serie UART y uno o más puertos cableados,
- dos o más fuentes de alimentación (PSU1, PSU2) , que tienen la capacidad de ser activadas o desactivadas a través de una entrada digital y que tienen un nivel de corriente quiescente menor de o igual a sustancialmente 50μA a 12V,
- un módulo de adquisición de datos (SAD) , -un módem de red celular (GSM) , y -un módulo receptor GPS (GPS) , en la que: -la unidad central de proceso (MC) , el módulo de comunicaciones cableado (ETH) y el módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) se alimentan de una primera fuente de alimentación (PSU1) ; y
- cualquier fuente de alimentación distinta a la primera fuente de alimentación (PSU1) puede ser apagada o encendida desde la unidad central de proceso (MC) , módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) o módulo de comunicaciones cableado (ETH) .
2. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según la reivindicación 1, caracterizada porque el módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) cumple el estándar IEEE 802.15.4 o cualquier variante de ZigBee y ZigBee-PRO.
3. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de comunicaciones cableado (ETH) es un módulo Ethernet.
4. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el modem de red celular soporta algún estandar de telefonía móvil mediante el que pueda transmitir y recibir datos y/o transmitir y recibir mensajes cortos SMS.
5. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el al menos un módulo transceptor (USB1, USB2) capaz de enviar y recibir datos desde un puerto serie UART, los puede convertir a interfaz USB.
6. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la unidad central de proceso (MC) tiene capacidad para realizar cifrado en tiempo real.
7. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) tiene varias salidas digitales.
8. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
módulo de comunicaciones cableado (ETH) tiene capacidades de cifrado en tiempo real.
9. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de comunicaciones cableado (ETH) tiene varias salidas digitales.
10. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de comunicaciones cableado (ETH) implementa un cliente y/o servidor de SSH.
11. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de comunicaciones cableado (ETH) soporta cliente y/o servidor de los protocolos HTTP y/o HTTPS.
12. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el módulo de adquisición de datos (SAD) , el módem de red celular (GSM) y el receptor (GPS) se alimentan de una segunda fuente de alimentación (PSU2) .
13. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque permite conectar elementos de procesado, memorias, módulos de adquisición de datos y/o módulos de comunicación adicionales.
14. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque incluye
una pluralidad de puentes (J1, J2, J3, J4, J5 y J6) , para deshabilitar la alimentación de la unidad central de proceso (MC) , el módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) , el módulo de comunicaciones cableado (ETH) , el módulo de adquisición de datos (SAD) , el módem de red celular (GSM) y/o el módulo receptor GPS (GPS) .
15. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dispone de cargas resistivas shunt conectadas a las entradas de las fuentes de alimentación (PSU1, PSU2) para medir el consumo de corriente de la plataforma.
16. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está capacitada para el establecimiento de una depuración de las comunicaciones entre los diferentes elementos que componen la plataforma, capturando en tiempo real el tráfico que fluye por cualquier interfaz serie.
17. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes cuando dependen de las reivindicaciones 6 y 8, caracterizada porque los módulos de comunicaciones cableado (ETH) , de comunicaciones inalámbricas (ZB) y la unidad central de proceso (MC) poseen un cripto-procesador que soporta cifrado AES en tiempo real, garantizando así la integridad y confidencialidad de los datos que circulan por la plataforma, tanto a nivel de circuito como de entrada y salida por las interfaces cableada (ETH, USB1, USB2) e inalámbrica (ZB) .
18. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque mediante el módulo de comunicaciones inalámbricas (ZB) o el módem de red celular (GSM) se puede comunicar, controlar y configurar la plataforma de forma inalámbrica.
19. Plataforma hardware de muy alta conectividad y muy bajo consumo energético, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las interfaces serie UART y/o SPI que comunican los diferentes elementos de la plataforma, están capacitadas para ser desconectadas, de tal forma que puedan ser reutilizados contra otros elementos de la propia plataforma o contra elementos externos que extiendan las capacidades hardware de la plataforma.
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