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Walter, el sucesor del exitoso GPy, llega para democratizar la conectividad celular

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Walter, el sucesor del exitoso GPy, llega para democratizar la conectividad celular Imagen: DPTechnics BV
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La empresa PyCom desarrolló el módulo GPy, pero tras finalizar su producción y quebrar, surgió Walter como su sucesor. Walter es un módulo compacto con diversas tecnologías de conectividad, certificado y de código abierto, lo que facilita a las pequeñas empresas la creación de productos celulares de IoT a precios más accesibles. Actualmente, Walter está en fase de financiación colectiva en Crowd Supply.

Walter es un sistema en módulo (SoM) IoT de pequeño formato que combina un potente sistema en chip (SoC) ESP32-S3 con un módem LTE-M/NB-IoT 5G y un receptor GNSS Sequans GM02SP de segunda generación. Su ESP32-S3 también proporciona muchos periféricos integrados, como UART, SPI, I²C, CAN, Wi-Fi b/g/n y Bluetooth 5. Walter es el único módulo que incluye todas estas opciones de conectividad en un paquete tan pequeño.

Hardware abierto con software de código abierto

Para ayudar a sacar el máximo partido de Walter, hemos publicado el esquema y la huella KiCAD, ambos disponibles en GitHub, junto con nuestra hoja de datos, que describe todos los pines y las almohadillas de prueba para que no tengas que buscarlos.

Walter incluye una serie de bibliotecas de software de código abierto para que puedas poner en marcha tu proyecto de IoT 5G en cuestión de minutos utilizando tus lenguajes y cadenas de herramientas preferidos. Es compatible con ESP-IDF, Arduino, MicroPython y Toit. No se necesitan dongles especiales para programar Walter: solo tienes que conectarlo directamente a tu máquina de desarrollo mediante un cable USB Type-C normal.

Nuestro equipo de software embebido está mejorando continuamente las bibliotecas de código abierto de Walter, que puedes encontrar en nuestro repositorio de GitHub. Estas bibliotecas están optimizadas para ofrecer flexibilidad y facilidad de uso, con especial énfasis en:

- Bajo consumo: La nuestra es la única biblioteca de comandos AT de código abierto que utiliza variables de condición en lugar de espera activa, lo que mantiene la carga en el procesador ESP32 extremadamente baja.

- Descarga transparente de protocolos: Otras soluciones utilizan el módem únicamente como fuente y receptor de datos, lo que significa que los protocolos de alto nivel, como CoAP, MQTT, HTTP y sus variantes seguras TLS o DTLS, se gestionan en el procesador host. Esto no sólo consume mucha memoria, sino que también disminuye la eficiencia. Nuestras bibliotecas descargan estos protocolos en el módem Sequans GM02SP, en el que han sido probados por millones de usuarios.

- Gestión de errores: La comunicación celular puede fallar de varias maneras, y una buena gestión de errores es esencial para la fiabilidad del producto. Nuestras librerías proporcionan una amplia gestión de errores para ayudarle a adquirir y mantener una conexión celular fiable.

- Fácil integración: Seguiremos manteniendo, mejorando y ampliando nuestras bibliotecas durante toda la vida útil de Walter. Esto incluye una amplia gama de proyectos de ejemplo diseñados para que pueda empezar a trabajar lo antes posible.

Más que una placa de desarrollo

La evolución de un prototipo a una oferta comercial es la etapa más desalentadora del desarrollo de un producto. Walter pretende reducir esta complejidad, especialmente para la producción de volúmenes bajos y medios. Es el punto de entrada perfecto para las empresas que desean desarrollar sus propios productos IoT conectados a 5G.

¿Cómo afrontamos el reto de diseñar una placa como esta? En primer lugar, en Walter no encontrarás componentes innecesarios. No hay sensores, ni LED RGB, ni circuitos de carga, por nombrar solo algunas omisiones intencionadas. Cada una de estas "características" habría aumentado el coste de Walter y no se habrían utilizado la mayor parte del tiempo en la mayoría de las aplicaciones. En su lugar, encontrará una serie de almohadillas de prueba, en la parte inferior de la placa, que se pueden utilizar para automatizar el flasheo del firmware y las pruebas del producto.

En segundo lugar, hemos certificado Walter para FCC, CE, UKCA, IC y RCM (para Australia y Nueva Zelanda). A menos que añada otra radio a su producto basado en Walter, sus costes y riesgos de certificación serán mínimos.

Además, nuestro equipo tiene años de experiencia en el desarrollo integrado, por lo que sabemos que la mayoría de las placas de desarrollo sólo están disponibles durante unos pocos años, lo que puede ser un problema porque los productos IoT a menudo se utilizan sobre el terreno durante mucho más tiempo. Un soporte fiable y a largo plazo es esencial para los productos IoT, por lo que hemos negociado contratos con nuestros proveedores de componentes que nos permiten garantizar la disponibilidad durante un mínimo de diez años.

Por último, ¿hemos mencionado lo pequeño que es? Walter sólo mide 24,8 x 55 mm, por lo que cabe en casi cualquier producto. De hecho, no conocemos ninguna forma posible de fabricar una placa independiente más pequeña compatible con estas tecnologías de RF.

Deep Sleep de muy bajo consumo

En muchas aplicaciones alimentadas por batería, Walter pasa la mayor parte del tiempo en reposo profundo. Por lo tanto, es fundamental que consuma la menor cantidad de energía posible en este modo, que fue uno de nuestros requisitos clave durante la fase de diseño. Estamos muy orgullosos del resultado y hemos validado que Walter sólo consume 9,8 µA en modo de reposo profundo:

- 8 µA para el ESP32-S3
- 1 µA para el GM02SP
- 0,8 µA para el convertidor de potencia DC-DC y LDO

Como resultado, Walter puede dormir durante más de 34 años con una sola pila 18650 con una capacidad media de 3000 mAh.

Compatible con el antiguo PyCom GPy

Hay muchos productos en el mercado que se basan en el PyCom GPy, que es EoL y ya no está disponible. Walter es totalmente compatible con el GPy y puede intercambiarse sin necesidad de rediseñar las placas base. La solución de código cerrado de PyCom adolecía también de varias deficiencias de hardware. Hemos abordado todos esos problemas, haciendo de Walter no sólo un reemplazo, sino una actualización seria. Echa un vistazo a este maravilloso comentario que recibimos de uno de nuestros beta testers:

Hemos convertido nuestra aplicación GPy a Walter con buenos resultados. Los puntos clave incluyen:
- Nuestro diseño de hardware no ha cambiado. Walter era un plug-in que sustituía a GPy.
- Se requirieron cambios menores en el código debido a las diferentes asignaciones de pines.
- El mayor cambio que hicimos fue pasar de usar el módulo thread a usar el módulo asyncio. Este cambio fue sólo una mejora que hicimos a nuestro código. La versión de hilos también funcionó aunque MicroPython tiene limitaciones de lo que se puede hacer en la rutina de interrupción (ver Programa para la solución).
- Todo nuestro código para hablar directamente con el módem con comandos AT funciona perfectamente. No usamos las rutinas del módem Walter en absoluto. El módem es compatible con el GPy.
- Una gran mejora con Walter es la capacidad de reiniciar el módem desde el software directamente.
- Otra gran característica es que ahora podemos ejecutar la última versión de MicroPython sin cambios con Walter (no se requiere un fork).

¡Gracias por el gran trabajo!
Tommy Lanier, Computer Engineered Solutions, Inc.

Antenas Pre-Certificadas

Walter tiene una antena Wi-Fi y Bluetooth integrada, pero depende de antenas externas para un funcionamiento óptimo de LTE-M/NB-IoT y GNSS. Para ello incluye dos conectores u.FL. Hemos elegido a Taoglas como nuestro socio de antenas recomendado por su calidad y su garantía de disponibilidad de diez años. Las antenas de nuestro devkit son adhesivas, lo que facilita su integración en sus productos fijándolas a una carcasa.

La placa portadora Walter Feels

Aunque es posible utilizar Walter como un módulo independiente, fue diseñado para ser incorporado en su producto por medio de una placa portadora. Proporcionamos una placa portadora de este tipo para ayudarle a diseñar y crear productos IoT de prueba de concepto lo antes posible. La hemos llamado Walter Feels y contiene todo lo necesario para crear una plataforma de detección IoT alimentada por batería:

- Entrada de potencia MPPT de amplio rango de entrada (3,1 - 35 V)
- Cargador de baterías de una a varias celdas y multiquímica (LiFePo, Li-Ion, Plomo). La placa funciona con voltajes tan bajos como 2,5 V
- Batería I²C y gestión de energía (Analog Devices LTC4015)
- Ranura para tarjeta MicroSD
- Sensores: temperatura, humedad, presión barométrica y 6 DoF IMU,
- Conectores para sensores: Sensor absoluto de CO₂ Sensirion SCD30 (no incluido).
- Múltiples interfaces, incluidas RS232, RS485, SDI-12 y bus CAN
- Salida de 3,3, 5 y 12 V
- Dos pines GPIO directamente desde la placa Walter
- Compatible con la carcasa Takachi PFF13-4-13W para aplicaciones de interior

Hemos creado un sketch Arduino de muestra que puedes ejecutar en Walter Feels. Envía datos a la plataforma Walter Demo, que visualiza inmediatamente todos los datos entrantes del sensor y de la gestión de energía.

Aplicaciones

Creamos Walter para aplicaciones de detección y control remotos, y hemos estado trabajando duro para perfeccionarlo mediante la incorporación de los comentarios de los probadores beta que nos han dado ideas relacionadas con varias otras aplicaciones posibles, incluyendo:

- Rastreador GNSS: Como el receptor GNSS está integrado, ni siquiera se necesita una tarjeta de expansión para crear una solución de seguimiento global con Walter. De hecho, como se mencionó anteriormente, Walter viene pre-flashed con el firmware de seguimiento que carga los datos a nuestra plataforma de demostración.

- Estación meteorológica remota: Cuando se encaja en nuestra placa portadora, Walter puede monitorizar varios sensores desde prácticamente cualquier lugar. Su conexión 5G (LTE-M o NB-IoT) tiene tan buen alcance que puede monitorizar fácilmente ubicaciones remotas. Incluso hicimos una prueba en la que Walter se desplegó en un poste de medición en el Mar del Norte. Aunque la recepción 4G normal era muy mala, la conexión LTE-M funcionó a la perfección.

- Sensor de nivel de tanques: Para evaluar la cobertura en interiores de Walter, añadimos un sensor ultrasónico que le permitía determinar el nivel de líquido en un depósito. Probamos el resultado en varios lugares de Bélgica y nos sorprendieron gratamente los resultados, que incluían una buena señal desde dos pisos bajo tierra debajo de una cubierta metálica.



Los ejemplos anteriores son sólo la punta del iceberg. Nuestro equipo ya está pensando en rastreadores de mascotas, impresoras de tickets para servicios de entrega en línea, sistemas de control de acceso IoT y controles remotos de bombas, entre otras posibles aplicaciones. Y estamos deseando escuchar tus ideas.

Características y especificaciones

ESP32-S3-WROOM-1-N16R2 microcontroller:
- CPU Xtensa dual-core LX7 de 32 bits
- 16 MiB de memoria flash SPI cuádruple
- 2 MiB de PSRAM SPI cuádruple
- Wi-Fi 4 802.11 b/g/n a 150 Mbps con antena PCB integrada
- 2 Mbps Bluetooth 5 Low Energy con antena PCB integrada
Módem 5G Sequans GM02SP:
- Modo dual LTE-M / NB-IoT (NB1, NB2)
- 3GPP LTE versión 14 (actualizable hasta la versión 17)
- Modo de suspensión profunda ultrabajo en eDRX y PSM
- Potencia de salida adaptable de +23 dBm, +20 dBm y +14 dBm
- LNA y filtro SAW integrados para recepción GNSS
- GNSS asistido y no asistido con constelaciones GPS y Galileo
- Tarjeta SIM integrada
- Ranura para tarjeta Nano-SIM
- Conectores RF u.FL para antenas GNSS y 5G
Entradas y salidas - 24 pines GPIO para uso en aplicaciones
- UART, SPI, I²C, CAN, I²S y SD disponibles en cualquiera de los pines GPIO
- ADC, DAC y PWM integrados en el ESP32-S3
- Salida de 3,3 V controlable por software
- Conector USB tipo C para flasheo y depuración
- 22 puntos de prueba para programación y pruebas de producción
- Botón de reinicio a bordo
Fuente de alimentación
- 5,0 V a través de USB Tipo-C
- 3,0 - 5,5 V a través del pin Vin
- No se permite el uso simultáneo de ambas entradas de alimentación
- Diseñado para una corriente de reposo extremadamente baja
Factor de forma
- Fácil de integrar mediante cabezales de 2,54 mm
- Dimensiones de la placa de 55 mm x 24,8 mm
- Compatibilidad de patillas y huella con EOL Pycom GPy
- Fácil de instalar en placa
Software
- Librerías para Espressif IDF
- Bibliotecas para el ecosistema Arduino
- Bibliotecas para MicroPython
- Futuro soporte y librerías para Toit
- Soporte nativo en la plataforma IoT BlueCherry.io
- Estamos abiertos a otras sugerencias
Certificaciones
- Rango de temperatura industrial de -40°C a +85°C
- Diseñado y fabricado en la Unión Europea
- Garantía de disponibilidad de diez años
- CE (Europa), UKCA (Reino Unido), FCC (EE.UU.), IC (Canadá), RCM (Australia y Nueva Zelanda)

Asistencia y documentación

Mejoramos continuamente nuestra documentación y los documentos de diseño de Walter y sus accesorios. Le invitamos a echar un vistazo (¡y a contribuir!) a los siguientes recursos:

- Esquemas
- Hoja de datos
- Huellas y renders
- Bibliotecas
- Documentación
- Proyecto Walter Feels KiCad
- Seminario con Soracom

Basándonos en los comentarios de nuestros beta testers, lanzaremos un sitio web de documentación para hacer más accesible parte de la información anterior y alojar código de ejemplo para varias aplicaciones que podrá utilizar para empezar con sus propios proyectos. Nuestro equipo está supervisando activamente los problemas de GitHub y la correspondencia por correo electrónico, así que si desea ayuda para poner en marcha su proyecto, háganoslo saber, y es posible que también podamos ofrecerle apoyo en la contratación.

Plan de fabricación

El equipo de Walter cuenta con más de siete años de experiencia en el desarrollo de hardware y software para el Internet de las Cosas. En los últimos meses, hemos estado trabajando con nuestro socio belga de fabricación para perfeccionar nuestro diseño y prepararnos para la producción en masa. Walter se fabricará en una fábrica europea de última generación, como se muestra en este vídeo.

Cumplimiento y logística

Una vez finalizada la producción, empaquetaremos todo y lo enviaremos al socio de Crowd Supply, Mouser Electronics, que se encargará de la distribución a los patrocinadores de todo el mundo. Puedes obtener más información sobre el servicio de distribución de Crowd Supply en la sección Pedidos, pagos y envíos de su guía.

Riesgos y desafíos

Hemos trabajado en Walter durante aproximadamente un año. Durante ese tiempo, ha pasado por un total de seis iteraciones diferentes, cada una de las cuales fue probada no sólo por nuestro propio equipo, sino por una red de beta testers de todo el mundo. Puede ver los resultados en tiempo real en nuestra plataforma de demostración. Estamos seguros de que Walter es estable, incluso en entornos difíciles, y creemos que ya hemos asumido nuestros mayores riesgos.

Actualmente estamos finalizando nuestro proceso de certificación, que ha constado de dos etapas:

- Precertificación en nuestro propio laboratorio y en el laboratorio FMEC de la KU Leuven. Hemos superado todas las pruebas de precertificación.

- Certificación formal por BACL en California. Hemos completado todas las pruebas de radiofrecuencia y seguridad y ahora estamos ultimando la conformidad CEM.

Esperamos completar este proceso de certificación en cualquier momento. Aunque siempre existe la posibilidad de que no superemos alguna de las pruebas formales de conformidad, si lo hiciéramos sólo tendríamos que mitigar el problema introduciendo cambios de diseño relativamente menores. Si esto ocurriera, no esperaríamos más de uno o tres meses de retraso. (DPTechnics BV)

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