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El Futuro de la Electrónica Embarcada en Transporte

Concepto de Electrónica Embarcada

Con la expresión ‘electrónica embarcada’ nos referimos a todos aquellos dispositivos electrónicos que van embebidos en vehículos rodados (coches, camiones, autobuses, vehículos de emergencias o, eventualmente, motos), así como en trenes, aviones o barcos, y cualquier medio de transporte tanto de mercancías, como de pasajeros.

        Detalle de un sistema de electrónica embarcada

Son sistemas embebidos de captación, procesamiento y presentación de datos, así como del cableado o las comunicaciones inalámbricas o cableadas necesarias para su funcionamiento, ya sea en el interior del vehículo, y para su comunicación con el entorno inmediato o con servicios remotos.

El conjunto de estos sistemas tiene una cuádruple misión: comunicarse con el entorno, proporcionar información al conductor y automatizar acciones repetitivas, mejorar la seguridad y proporcionar información y entretenimiento a pasajeros. En el caso del transporte de mercancías, podríamos añadir la captación de datos de la carga para comprobar su estado e integridad.

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Sistemas de control y sensórica

       Sistema de sensorización del entorno para un automóvil

Dichos sensores pueden ser cámaras de visión convencional, cámaras de visión nocturna, radares de tipo LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), sensores de choque, de temperatura, de proximidad, etc. En el ámbito de la sensorización, tenemos una amplia panoplia de dispositivos que miden infinidad de parámetros (movimiento, sueño, sonido, gases, etc.) con utilización para el sector automotriz.

En lo concerniente a los sistemas de control, son aquellos que permiten al conductor dirigir y gestionar todos los aspectos del funcionamiento del vehículo, automatizando ciertas rutinas y recibiendo órdenes a través de mandos e interfaces.

Seguridad

En materia de seguridad, los sistemas de electrónica embarcada en transportes tienen la principal misión de detectar obstáculos y peligros para avisar de ellos al conductor o, incluso, tomar el control (por ejemplo, frenando el vehículo) para evitar un choque u otros incidentes.

Cuanto más grande pueda ser el daño causado en caso de accidente, más crítico es el nivel de seguridad requerido. Así, los estándares de seguridad aplicables serán muy distintos cuando hablemos de tráfico rodado, ferroviario o aéreo como diferentes serán también las exigencias de los sistemas de seguridad en cada caso.

Información y entretenimiento (infotainment)

    Pantalla de infotainment sobre el salpicadero de un coche

Hoy en día tenemos innumerables fuentes de información sobre casi cualquier aspecto de nuestra existencia, por lo que la conducción moderna se ayuda de sistemas que, por ejemplo, nos indican la ruta a seguir mientras vamos circulando, además de proporcionarnos otras informaciones de utilidad para la conducción como, por ejemplo, dónde se están produciendo embotellamientos y las rutas alternativas para evitarlos, o dónde se encuentra la gasolinera más cercana. Cuando hablamos de transporte público, estos sistemas, además, pueden englobar los sistemas de ayuda a la explotación (SAE).

En cuanto a la información al pasajero, los sistemas encargados de esta misión SIP,  o PIS (Passenger Information System en sus siglas en inglés), pueden incluir además contenidos de información general, noticias y de entretenimiento, además de información sobre la ruta seguida y las próximas paradas, por ejemplo, y abrir además nuevas posibilidades de negocio para incorporar publicidad al pasajero.

Conectividad

Todos estos sistemas no trabajan aislados del resto, sino que se comunican (de hecho ¿cómo podría un procesador disponer de la información de los sensores si no hay un canal de comunicación entre ellos?), por lo que todo sistema electrónico embarcado necesita de una serie de comunicaciones, que pueden ser cableadas, para uso interno, o inalámbricas para comunicación con el exterior.

Cualquier medio de transporte, sea rodado, aeronave, barco o tren, dispone actualmente de muchos metros o incluso kilómetros de cable destinados a la transmisión de datos y alimentación eléctrica entre componentes, algunas veces utilizando el mismo cable para ambas funciones.

    Los vehículos reciben datos de fuentes externas e internas

Alternativamente, las conexiones inalámbricas, con estándares como Wifi, Bluetooth, ZigBee o Lora permiten el intercambio de datos sin cable y pueden proporcionar, a su vez, conectividad o servicios al pasajero, información de la carga o alarmas que ayuden al mantenimiento preventivo del material rodante.

Muchos de estos sistemas funcionan exclusivamente en un circuito en el interior del vehículo. Hay todo un elenco de buses de comunicación y protocolos dedicados como CAN para comunicarse con la centralita de un autobús o camión o TCN (Train Communication Network) para ferrocarril, entre otros.

Pero los vehículos también necesitan relacionarse con el mundo exterior para recibir información como, por ejemplo, GPS/GNSS para geoposicionamiento y navegación, o bien de conexión a Internet celular 5G/4G/3G para descargar informaciones varias, acceder a los sistemas de videovigilancia embarcados o para facilitar consultas a sistemas de gestión de tráfico entre otros servicios.

Cuando hablamos de sistemas críticos, existen variantes propias como GSM-R para la señalización ferroviaria o estandarizadas, como 5G para la conducción autónoma que cubriría tanto la comunicación V2V (vehículo a vehículo) como la comunicación V2I (vehículo-infraestructura).

La nueva movilidad

La conducción autónoma de vehículos no es más que una de las innumerables nuevas formas de movilidad que están por venir. El sector está en plena revolución. Prueba de ello, la ya iniciada transición hacia modelos medioambientalmente sostenibles como el coche eléctrico (EV Electric Vehicle) y la limitación del tráfico en las grandes ciudades por motivos medioambientales.

La conducción autónoma, una de las nuevas formas de movilidad

Estos nuevos modelos se respaldan nuevamente de sistemas electrónicos como los postes de recarga de vehículos (EVC Electric Vehicle Charger), capaces de dialogar con la infraestructura de la Compañía Eléctrica (Utility) para evitar el colapso de la red eléctrica en las horas punta de recarga, o los sistemas de control de tráfico en las entradas de las grandes ciudades que detectan en cuestión de milisegundos las matrículas de los vehículos permitiéndoles la entrada a las áreas delimitadas de bajas emisiones.

Normativas y estándares

Todos los apartados de los dispositivos de electrónica embarcada, desde los componentes hasta el software y los protocolos de comunicaciones que emplean, están sometidos a varias regulaciones, algunas muy estrictas, ya que estamos hablando de vehículos de todo tipo y tamaño que, de sufrir un error en sus sistemas electrónicos, podrían provocar un accidente y poner vidas humanas y bienes materiales en juego.

Los productos electrónicos comercializados en la UE deben ser CE

Los dispositivos embarcados en cualquier medio de transporte, sea un vehículo rodado, un barco, un avión, o cualquier otro que se desplace, debe cumplir con una serie de estándares de aplicación internacional, que dictaminan sus características de resistencia y algunas de funcionamiento. Debemos pensar que la función, muchas veces crítica, de estos sistemas, combinado con un entorno de trabajo sometido a muchos vaivenes (físicos, literalmente), requiere que su uso sea fiable y que sean resistentes, de ahí que deban cumplir con determinadas características.

Algunos de los principales estándares a nivel mundial para los dispositivos electrónicos embarcados en medios de transporte son:

  • EN 50155: aplicable a todo el equipamiento electrónico que debe ir instalado en el material ferroviario rodante (básicamente, trenes, metros, o tranvías), y cubre aspectos como el rango de temperaturas soportadas por dicho equipamiento, la humedad, la fuerza de los golpes que debe soportar, o las vibraciones. Si quieres más detalles sobre esta normativa puedes consultar el artículo «Introducción a la norma EN50155» en nuestra web.
  • EN 45545-2: define cómo debe ser la protección ignífuga para los sistemas electrónicos embarcados en trenes.
  • EN 60529: define los grados de protección del encapsulado de los dispositivos electrónicos y su tolerancia al ingreso de líquidos y polvo. Parte de esta norma son los niveles IP65 (impide entrar el polvo y soporta chorros de agua a corta distancia) e IP67 (impide entrar el polvo y se puede hundir completamente en el agua hasta un metro de profundidad durante 30 segundos).
  • EN 62368-1: especifica cómo debe ser la seguridad de los equipos de audio y vídeo embarcados.
  • E-Mark: certificación que garantiza que el equipo cumple con los estándares aplicables a vehículos dentro de la EU. Si quieres más detalles sobre esta certificación puedes consultar el artículo «Certificación E-Mark: garantía de calidad y seguridad para vehículos y pasajeros» en nuestra web.
  • MIL-STD: conjunto de certificaciones inicialmente promovidas para aplicaciones militares, aunque no exclusivamente, que garantizan la capacidad de soportar condiciones extremas, comúnmente asociadas a vibración, impacto y temperatura entre otras.
  • ITxPT y Safety Integrity Level (SIL) del que hablaremos más adelante pues engloba otros aspectos no solo relacionados con el hardware.

 

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Estándares de Comunicaciones

Escondidos en el interior de cualquier vehículo podemos encontrar kilómetros de cables, muchos de los cuales dedicados a transportar las comunicaciones entre componentes electrónicos.  Algunas condiciones físicas que deben cumplir estos tipos de cables consisten en alta resistencia a las temperaturas extremas, o la no generación de humo al quemarse.

Sus conectores también son distintos a los que podemos emplear en las redes de cable domésticas o corporativas, con formatos estandarizados como el IX o conectores roscados M12 que garantizan una mayor robustez frente a vibraciones y sellado ante la presencia de polvo y humedad.

En cuanto a los estándares y protocolos que marcan este sector, tenemos el bus CAN, el cual permite comunicarse a microcontroladores y dispositivos sin un ordenador de por medio. Más recientemente, la necesidad de incorporar cámaras y sistemas multimedia con mayores requisitos de ancho de banda ha llevado a que Ethernet sea comúnmente aceptado en el sector del transporte.

Equivalentes a CAN, dentro del sector ferroviario, serían los buses TCN (Train Communication Network) o MVB (Multifunction Vehicle Bus). Aunque tradicionalmente en este sector cada fabricante de material rodante ha optado tradicionalmente por su propia solución para comunicar los sistemas críticos del tren o tranvía, estos convergen hoy en día hacia tecnologías respaldadas sobre Ethernet.

Por lo que respecta a las comunicaciones inalámbricas, estas se reservan para relacionar el vehículo con el exterior, ya sea con las inmediaciones de la vía, con los demás vehículos o para recibir datos de geoposicionamiento satelitales, así como para proporcionar acceso a Internet a los pasajeros. En este último caso, la tecnología empleada será la celular, que será distribuida a los pasajeros a través de Wi-Fi.

                5G aporta ancho de banda y baja latencia

Las comunicaciones entre vehículos y de estos a las proximidades de la vía están regidas por estándares que regulan, sobre todo, las bandas del espectro radioeléctrico que se emplean, como es el caso del C-V2X (basado en la 4G) presentado por el 3GPP, o el 802.11p del IEEE. Ambos operan en la banda de los 5,9 GHz.                    

Estas tecnologías son la base de la conducción autónoma. Sin embargo, el futuro de estas tecnologías está ahora en entredicho tras la irrupción de 5G. 5G pretende dar solución a tres de los grandes problemas que presenta la conducción autónoma: necesidad de gran ancho de banda, permitiendo transmitir vídeo en tiempo real; baja latencia de la red, facilitando una rápida respuesta y reduciendo los tiempos de reacción; y comunicación vehículo-vehículo o vehículo-infraestructura.

Si deseas más información sobre las comunicaciones industriales puedes consultar el artículo «Comunicaciones industriales: una guía completa de aplicaciones y usos» en nuestra página web.

Software

El abanico de soluciones software aplicables a cualquier sistema relacionado con transporte es infinito. Algo más reducido son los posibles sistemas operativos aplicables, y podríamos clasificarlos de la siguiente manera:

  • Equipos sin sistema operativo: se emplean para sistemas simples basados en microcontrolador. Realizan tareas sencillas y en ocasiones críticas en tiempo. En equipos fabricados a gran escala podemos encontrar que el fabricante decida tener el control del equipo y diseñe su propio software e incluso sistema operativo. Tal es el caso de sistemas de ayuda a la navegación y explotación empleados transporte de personas, routers, equipos de sensórica y telemetría, etc.
  • Equipos con sistemas operativos de propósito general: podríamos englobar aquí los sistemas operativos más comunes como Microsoft, Apple o Android. No son los más comunes, pero si tienen su hueco. Mientras Apple o Android quedan relegados para los equipos de transporte que interaccionan directamente con los usuarios por su facilidad de uso, en el caso de Microsoft, es el sistema operativo predominante para los grandes servidores de datos en aplicaciones como videovigilancia y control de tráfico.
  • Equipos con sistema operativo embedded: para facilitar y reducir el tiempo de desarrollo de plataformas con software complejo con incluso multitarea, los sistemas operativos basado en Linux embedded han alcanzado un lugar destacado. Existen numerosas distribuciones de Linux con distintos “flavours”: orientadas a usuario, comunicaciones o tiempo real, por poner algunos ejemplos. Los sistemas operativos basado en Linux Yocto han cobrado gran relevancia en los últimos tiempos. Yocto permite diseñar tu propio sistema operativo, no tanto las aplicaciones, como los propios componentes que integran el core del propio sistema, consiguiendo la personalización del mismo para cada aplicación.
  • Equipos con sistema operativo certificados: cuando las aplicaciones son críticas (señalización, control de tráfico, control de cambios de aguja en ferrocarril, control tráfico aéreo, etc) se suelen emplear sistemas operativos certificados como algunas versiones de VXWorks de WindRiver. Estos sistemas operativos suelen ser RTOS (RealTime Operating System) y reducen la complejidad de sus librerías y componentes al mínimo necesario para evitar puntos de ruptura software que puedan provocar un fallo de sistema no recuperable. Suelen ser la base de los sistema SIL (Safety Integrity Level), sistema críticos que no deben fallar ya que implicarían graves pérdidas personales y materiales.

Certificaciones de Sistema

Cuando se requieren una certificación de seguridad alta, típicamente SIL-2, SIL-4, no solo la elección del hardware y el sistema operativo son críticas, sino también la manera en cómo se interrelacionan y también en cómo se confecciona el software. Hablamos, pues, de una certificación de sistema, ya que engloba todas sus partes. Estos sistemas se caracterizan por disponer de redundancia de hardware a prueba de fallo (fuente de alimentación, computación, almacenamiento, etc). El sistema operativo suele ser certificado de acuerdo al nivel de seguridad requerido. Las comunicaciones también pueden ser redundantes. Para el diseño del software se siguen protocolos específicos que garantizan que no haya puntos de ruptura o bloqueo llegando incluso a imponer en los sistemas redundantes que los módulos críticos estén confeccionados por equipos humanos y compiladores diferentes para reducir la probabilidad de fallo.

Se suelen catalogar como Sistemas Críticos en transporte los que controlan el tráfico, la ocupación de vía, espacio aéreo o infraestructuras críticas, así como la señalización.

Otra iniciativa que pretende estandarizar arquitecturas para facilitar la interoperabilidad de sistemas de información IT en transporte público de pasajeros es ITxPT. La etiqueta ITxPT engloba tanto el software como el hardware y pretende ser un estándar de calidad en constante evolución para englobar las nuevas formas de movilidad.

Consideraciones Previas antes de abordar un Proyecto de Electrónica Embarcada

Por todo lo expuesto hasta aquí, antes de empezar a adquirir cualquier tipo de electrónica como ordenadores, routers, pantallas, etc. e instalarles y configurar el software, necesitaremos planificar bien todos los sistemas que vamos a utilizar, en conjunción con el cableado, las comunicaciones, y los sistemas operativos y aplicaciones que emplearemos, para que la interacción entre las diferentes partes de nuestro sistema embarcado sea efectiva, eficiente y fácil.

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Arquitecturas de Computadores

La primera decisión importante que deberemos tomar es sobre la arquitectura hardware de los sistemas informáticos embebidos que irán embarcados en los vehículos, teniendo en cuenta que podemos integrar plataformas de arquitecturas distintas (cada una con sus ventajas e inconvenientes) para llevar a cabo roles diferentes dentro de la variedad de sistemas que deben funcionar en un mismo vehículo.

       Ejemplo típico de microcontrolador con arquitectura ARM

Por ejemplo, la arquitectura x86-x64, aporta una gran potencia de cálculo, todavía no superada por arquitecturas RISC como ARM, por lo que nos será útil para la confección de servidores embebidos o de appliances de red como las dedicadas a la ciberseguridad, y que deben lidiar con una gran cantidad de tráfico para su análisis.

No es que la arquitectura ARM sea inhábil para la creación de servidores, pero aunque ofrece una potencia de cálculo bruta menor, presenta ventajas sobre la x86-64 en cuanto a disipación de calor y tamaño, dos factores clave en la electrónica embarcada en vehículos, ya que los espacios en los que deben ir los dispositivos son muy constreñidos.

El impulso de nuevas aplicaciones de Inteligencia Artificial IA basadas en algoritmos diseñados para ser procesados en redes neuronales, ha propiciado la popularidad de arquitecturas alternativas en las que el procesado se efectúa en paralelo. Ejemplo de arquitecturas de este tipo son las empleadas por fabricantes de tarjetas gráficas como NVIDIA, que cuenta con GPU (Graphic Processing Unit) con cientos de núcleos en paralelo que se alinean perfectamente con las necesidades de respuesta de los algoritmos de IA. Estas arquitecturas han evolucionado desde la típicas empleadas en las tarjetas gráficas para videojuegos, para incorporar CPUs, típicamente ARM, que permiten disponer de ordenadores netamente orientados a IA y procesado de imagen como NVIDIA Jetson o NVIDIA XAVIER.

Plataformas Software

Otro aspecto a tener en cuenta de nuestro proyecto, como vimos anteriormente, será el de la o las plataformas software, puesto que podemos hacer coexistir varias en el mismo proyecto para funcionalidades distintas.

Los sistemas operativos que utilizan los ordenadores embebidos pueden estar sujetos a licencias, como Microsoft Windows (tanto en las versiones estándares, como en versiones dedicadas como es el caso de Windows 11 IoT Enterprise), o bien ser libres (como Arch Linux), o incluso adoptar un modelo mixto: libre, pero con una empresa que pueda ofrecer servicios de mantenimiento por pago (como Ubuntu).

La arquitectura hardware define la plataforma software

La elección de la arquitectura hardware de nuestros sistemas informáticos embarcados juega un papel decisivo a la hora de elegir posteriormente qué plataforma software empleamos sobre ellos, ya que, por ejemplo, Microsoft Windows, no se encuentra disponible con soporte para todos los procesadores o placas ARM existentes, para las que es más fácil hallar versiones de Linux o Android.

Android no es una de las plataformas más extendidas en este sector por la dificultad de manejar periféricos, la falta de librerías para buses de campos y la dificultad para interaccionar con hardware de terceras fuentes. Sí tiene su hueco en aquellas aplicaciones en que se requiere un grado de interactividad elevado  con usuario final por la facilidad de manejo.

Sistemas operativos descendientes de Unix como BSD, están también disponibles para una amplia variedad de hardware. Aunque no disponen de un grupo tan nutrido de empresas que le proporcionen soporte como en el caso de GNU/Linux, son un opción interesante cuando se requiere poner el foco en la seguridad de los servidores y redes.

Otros factores

Pese a todo, el diseño hardware partiendo de cero puede requerir de un esfuerzo personal, de unos conocimientos o de unos recursos que no son asumibles al no repercutir en el “core” del foco de nuestra empresa.

En muchos casos, externalizar proceso de conceptualización, diseño, prototipado y producción de los sistemas electrónicos embarcados a una tercera parte, puede dar un mejor resultado, ya que dicha tercera parte será una empresa dedicada y, por lo tanto, con mayor bagaje, más experiencia e ideas para mejorar el producto, y los recursos necesarios para producir la solución.

Otros factores que se han de tener en cuenta a la hora de diseñar un equipo para transporte, son:

  • Tiempo de vida estimado
  • Capacidad de actualización
  • Capacidad de reparación/substitución

Estos factores son clave y van implícitos en las condiciones de muchos contratos relacionados con el transporte público. Persiguen garantizar que los sistemas electrónicos van a perdurar en el tiempo cuanto menos, los mismo años que el material rodante o la infraestructura de transporte. Valores típicos pueden ser de incluso hasta 15 años. Cuando no es posible garantizar el suministro de componentes electrónicos para construir una solución electrónica concreta, se requiere, entonces, que las soluciones sean fácilmente actualizables y con el mínimo impacto posible sobre la funcionalidad o certificaciones del sistema.

Sistemas

El núcleo de cualquier sistema electrónico embarcado o para infraestructura de transporte, suele girar en torno a una unidad de computación u ordenador, aunque no en el formato que nosotros conocemos, sino preparado para la función específica que demanda la aplicación y el medio, como por ejemplo, un vehículo en movimiento.

Sistemas Embebidos

Los sistemas informáticos embarcados en transportes no son muy distintos de los sistemas embebidos industriales, pero sí que han de garantizar que sus características ayudan a cumplir con las normativas aplicables a cada sector según vayan a ser utilizados en coches, autobuses, trenes, aviones o barcos. Otra de las características que las soluciones embebidas para uso en aplicaciones de transporte han de cumplir es que deben ser soluciones “long term” (disponibles durante muchos años), con gestión del control de cambios de ingeniería y con trazabilidad. Desde el punto de vista de software, también se les puede exigir que sean actualizables para, por ejemplo, cumplir con los estándares de ciberseguridad presentes, pero también futuros.

System on Module (SoM)

Llamamos SoM (System on Module) a un sistema electrónico compacto que contienen todos los componentes esenciales de una ordenador o sistema de computación, incluyendo memoria e interfaces de entrada y salida. Los SoM están diseñados para ser usados con una carrier board que proporciona los conectores necesarios para la integración de los periféricos con el resto del sistema.

                     System On Module (SOM)

Las ventajas de los SoM son:

  • Proporcionan escalabilidad a los sistemas
  • Reducen el tiempo de lanzamiento al mercado
  • Facilita la actualización y renovación de equipos que han de ser soportados durante mucho tiempo

Existen diferentes factores de forma. Comentaremos algunos de ellos.

  • SoM para equipos ultra low power: Pensados para el desarrollo de sistemas informáticos embebidos low power, a menudo  alimentados a baterías, existen formatos como SMARC (Smart Mobility Architecture) o QSeven. Estos pueden estar basados tanto en arquitectura x86 como ARM. SMARC define un ordenador en módulo, que se conecta a los demás sistemas a través de un conector de 314 pines en un factor de forma de tamaño 82×50 mm típicamente. QSeven, se presenta en tamaño típico de 70x70mm con una densidad de pines algo menor, 230. Ambos factores de forma se conectan a la carrierboard de la aplicación a través de conectores tipo edge. Otro standard más reciente es OSM (Open Standard for Modules). OSM es un formato más compacto si cabe ya que está concebido para ser directamente soldado en la placa, como si de un componente más se tratara. Al igual que en las arquitecturas anteriores, el módulo proporciona la capacidad de cálculo, mientras que la placa a la que va conectado proporciona las interfaces de conexión concreta, y funcionalidades auxiliares. Los pequeños tamaños y reducidos consumos (típicamente <6 W), convierten a estos estándares regulados por la SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) en idóneos para su uso en aplicaciones móviles y de IoT. La adhesión a un estándar regulado permite actualizar la aplicación solamente cambiando el módulo y sin tocar la placa portadora, proporcionándole mayor potencia, más funcionalidades o simplemente remplazo en caso de obsolescencia. Alternativamente a los factores de forma estandarizados, existen numerosos fabricantes que prefieren que definen sus soluciones embedded bajo un pinout y factor de forma propietario. Lejos de lo que podría parecer, estos factores de forma ofrecen dos claras ventajas: por un lado, poder extraer el máximo provecho de los microcontroladores empleados en cada caso, al no tener que ceñirse a unas señales predefinidas; por otro lado, el hecho de no estar obligado a implementar unas funciones predefinidas como obligatorias por el estándar, permite reducir los costes.
 Comparativa de distintos formatos de placas COM Express
  • COM Express: Más que un formato de ordenador compacto en módulo, COM Express (Computer On Module) es una familia de formatos, disponibles en varios tamaños, concebida para prestar servicio a aplicaciones que requieren una potencia de cálculo media y unas determinadas funcionalidades de conectividad y periferia. Es un formato muy compacto, que permite ahorrar espacio. De la evolución de este estándar se encarga el consorcio PICMG. La regulación de un estándar como COM Express por un organismo independiente, garantiza a los diseñadores la interoperabilidad entre plataformas de distintos fabricantes.

Single Board Computer (SBC)

         Single Board Computer (SBC)

Cuando no se requiere implementar una periférica concreta sobre una carrier board, pero sí un ordenador en formato más o menos compacto que solo requiere alimentación y un conjunto de periféricos de tipo estándar, podemos optar por diseñar nuestro sistema basado en SBC, siglas en inglés de Single Board Computer, o placas madre (Motherboards), que podemos traducir, adaptándolo libremente, como “ordenador en placa”.

Existen diferentes factores de forma estandarizados (pico-ITX, mini-ITX, ATX) y también propietarios, así como distintas arquitecturas. Son soluciones rápidas en las que la mecánica correría a cargo del integrador. Los ciclos de vida de estas soluciones son más cortos,  pero también lo es el tiempo de desarrollo al no requerir de diseño hardware.

Box PC

El box PC es un ordenador completo, con chasis o envoltura incluida. Son una solución completa que dispone de todos los elementos de un sistema informático: microprocesador, memoria, GPU, buses de comunicaciones, interfaces de E/S, fuente de alimentación y almacenamiento.

                           Vista de los conectores de un Box PC

Basados tanto en la arquitectura x86 como en la ARM, muestran una serie de interfaces, a menudo del mismo tipo que un ordenador de sobremesa o portátil convencional, pero otras específicas como conectores para sensores y actuadores de entrada/salida, buses de campo, conectores de radiofrecuencia, etc.

Los roles que desempeñan acostumbran a ser los que requieren mayor potencia de computación, ya que son el tipo de ordenador que puede montar procesadores más parecidos a los de los ordenadores desktop o servidores.

Panel PC

   Vista frontal y posterior de Panel PC

En algunos casos, deberemos montar en el medio de transporte, un ordenador conectado a una pantalla, para presentar información de todo tipo a los pasajeros y al personal de abordo. En dicho caso, podemos optar por un panel PC, una suerte de ordenador all-in-one que incluye tanto pantalla como el hardware del ordenador, todo ello en un solo dispositivo.

La pantalla puede ser tanto táctil como no táctil, siendo los primeros  pensados para la presentación de interfaces de control de maquinaria o sistemas (HMI, Human-machine Interface), mientras que los segundos son destinados más bien a sistemas de información e infotainment.

En cuanto al tamaño de estas pantallas, tenemos opciones que van desde unas pocas pulgadas (incluso más pequeñas que la pantalla de un smartphone), hasta pantallas de 21” o más pulgadas.

Para funciones determinadas como digital signage para mostrar noticias o anuncios, podemos optar por pantallas con un formato alargado, BarLCD, que se adaptan mejor a los espacios de altura reducida que los formatos tradicionales 16:9 o 4:3.

Servidores

Son máquinas con las que los pasajeros no tienen una interacción directa, pero que se encargan de las tareas tras los bastidores, como poseer los contenidos de los sistemas de infotainment y controlar su reproducción bajo petición para cada pasajero individual, WiFi-On-Board, o bien reproducir el mismo contenido en todas las pantallas. También se encargan de tareas de red y del control de funcionalidades del propio vehículo.

Estos servidores consisten en sistemas informáticos de gran potencia. Típicamente necesitaremos de un servidor embebido embarcado en un medio de transporte en el caso de vehículos de grandes dimensiones que lleven muchos pasajeros, como trenes o aviones, mientras que en el caso de los autobuses podremos sustituir al servidor por máquinas menos potentes que lleven a cabo unas funcionalidades más simples para un número de pasajeros mucho menor.

Dependiendo de la responsabilidad de la función de este servidor, los requisitos hardware serán más o menos laxos. Un caso particular de servidor embarcado son las llamadas cajas negras. En esencia, son un registrador de datos jurídico que almacena información sensible para analizar en caso de accidente. Los sistemas que emplean este tipo de servidores suelen requerir de una certificación tipo SIL, estar configurado en redundancia y requerir especificaciones muy severas en cuanto a choque.

Fuera ya de lo que son los equipos embarcados, encontraremos servidores con similar responsabilidad en los sistemas de señalización y control de tráfico, especialmente en transporte aéreo y ferrocarril.

 

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Otros elementos auxiliares

Pantallas

Además de las pantallas que instalamos en el interior de los vehículos, y que están sometidas a grandes vibraciones, también debemos tener en cuenta que las pantallas que desplegamos en puestos de información o sistema de ticketing en las instalaciones al lado de vías de trenes (como en las estaciones), van a tener que ir protegidas contra posibles actos vandálicos.

En cuanto a las tecnologías que emplean, son las mismas que en los monitores o pantallas convencionales: TFT, LCD, OLED, LED, e-Ink.

Un factor a tener en cuenta es su brillo, especialmente si estas pantallas están destinadas a trabajar en entornos de exterior, ya que deben ser de muchos más nits que las pantallas convencionales pensadas para su uso en oficinas o entornos domésticos.

Equipos de Comunicaciones

Englobaremos aquí a routers, gateways, puntos de acceso, antenas, extensores/repetidores de señal, etc.

La red de comunicaciones de un medio de transporte de gran tamaño como puede ser un tren o un barco, requiere de diversos dispositivos de red o networking.

Un dispositivo prácticamente obligado para comunicarse con el exterior es un módem o router/módem. Este puede ser celular, ampliamente utilizado, aunque también los hay vía satélite, para zonas de baja cobertura.

Otros elementos pueden ser puntos de acceso WIFI, para facilitar la conexión en forma inalámbrica de pasajeros y tripulantes; gateways para unir dos tramos diferenciados de la red o dos redes distintas en el mismo medio de transporte o extensores de señal WiFi, que actúan a partir de un punto de acceso.

Audio

Todos los medios de transporte de masas y sus accesos o estaciones, disponen de sistemas de audio que se utilizan bien para la reproducción de contenidos de entretenimiento como música, o para los anuncios de servicio y emergencias.

En este caso, necesitamos un sistema de emisión que pueda reproducir mensajes pregrabados o construirlos a través de recursos pregrabados y con entradas desde el exterior, pero que también facilite el uso de un micrófono para que la tripulación dé mensajes a los pasajeros, por ejemplo instrucciones en el caso de un incidente inesperado.

Cámaras

Las cámaras son, desde hace tiempo, pieza vital de los sistemas de videovigilancia de estaciones y medios de transporte del pasajero. También son elementos auxiliares para el control de trenes y autobuses en maniobras específicas de visibilidad reducida.

La transición hacia el vehículo autónomo, con la automatización de funcionalidades que conlleva dicho proceso, nos lleva a que cada vez haya más cámaras embebidas en los medios de transporte y, especialmente, en los vehículos rodados.

Estas cámaras pueden tener sistemas de visión nocturna consistentes en iluminadores de infrarrojos, y pueden llevar incorporada la capacidad de inteligencia artificial (por ejemplo, mediante la adición de un SoM) para identificar y distinguir personas, animales, objetos u otros vehículos. De esta forma, no dependen del traspaso de datos a través de la red para realizar los cálculos en la nube, sino que pueden hacerlos directamente en el mismo aparato.

Alternativamente, pueden utilizar otro tipo de ordenador embebido embarcado en el vehículo para que sea su ‘cerebro’ de inteligencia artificial para estas funcionalidades. Estas nuevas tecnologías de IA, aplicadas a las cámaras de seguridad, permiten detectar, por ejemplo, pasajeros obstaculizando el paso, lo que permitiría activar la alarma pertinente en tiempo real y evitar accidentes.

Interfaz de Usuario

Todo este elenco de sistemas electrónicos debe ser controlado y operado de alguna forma, y aquí es donde entran en juego las interfaces de usuario. La primera diferencia que marcará el tipo de interfaz y lo que esta permite es si el dispositivo está destinado a su uso por parte del público final o no.

En el primer caso, podremos optar por pantallas táctiles para prescindir del teclado (y emplear uno virtual implementado por software en el caso que sea necesario teclear algún dato, tal y como se hace en smartphones y tablets), mientras que si el dispositivo está pensado para su uso por parte del personal de abordo, más intensivo y que debe ser más preciso, requiere de una interfaz física, con mandos y teclado.

El apartado gráfico también cambiará, puesto que un usuario final exige pocos datos en una pantalla más clara, mientras que el tripulante o usuario profesional exige mayor cantidad de información para realizar su trabajo, aunque expuesta de forma clara.

Aquellos dispositivos que se encuentren ocultos como, por ejemplo, módulos de ordenador embebidos, se gestionarán a través de interfaces remotas, pudiendo combinar el acceso a través de terminal para su administración, con una interfaz web para su uso.

Consideraciones sobre Ciberseguridad en Sistemas Embarcados

Los sistemas electrónicos embarcados en medios de transporte son críticos, ya que un mal funcionamiento o infiltración desde el exterior, implica a la seguridad de vidas humanas.

                    Cualquier vehículo podría ser hackeado

El incremento de sistemas electrónicos y comunicaciones en los vehículos, especialmente en lo que se refiere a las comunicaciones inalámbricas, ha multiplicado los vectores de ataque, por lo que debemos tener en cuenta:

  • Utilizar sistemas operativos cuya seguridad sea contrastada, y que permitan el riguroso control de las aplicaciones que ejecutan.
  • Las actualizaciones verificadas, empleando métodos como la firma digital, para impedir la instalación de parches y aplicaciones no deseadas.
  • Uso de protocolos seguros con identificación fehaciente del emisor de la comunicación.
  • Redundancia de sistemas (por ejemplo, de geoposicionamiento) para evitar ataques de tipo spoofing (suplantación de identidad).

Mantenimiento y Futuro de los Sistemas Embarcados

La mayor automatización de los sistemas tiene un objetivo último que va a condicionar, a lo largo de los próximos años, la evolución de la tecnología embarcada en los medios de transporte: la automatización total y absoluta de la tarea de la conducción.

Dicha automatización ya la podemos palpar en líneas de metro que discurren sin la presencia de un conductor humano y con todo el proceso de señalización, parada en las estaciones, apertura y cierre de puertas automatizado.

De la misma manera, también podemos disfrutar ya de coches particulares que aparcan solos, y que pueden mantener una velocidad de crucero siguiendo un carril en autopistas y autovías, incluso moderando su velocidad acorde al resto del tráfico rodado. Y pese a que existen ya vehículos con el potencial de ser completamente autónomos, por el momento su circulación general no está permitida.

Esta tendencia a la automatización total de los medios de transporte al igual que los vehículos particulares, nos lleva a unas cuantas conclusiones:

  • Los sistemas informáticos integrarán cada vez más hardware dedicado a la operativa de inteligencia artificial, tal como aceleradores, ya que es necesaria para automatizar funcionalidades.
  • Se incrementará el número de sensores presentes en los vehículos, sofisticándose su funcionamiento.
  • El número de sistemas instalados al lado de las vías de comunicación que interaccionarán con la electrónica de a bordo, crecerá.
  • Crecerá el volumen de datos internos y el intercambiado entre el vehículo y la infraestructura.
  • Los pasajeros demandarán cada vez más servicios, más información, y más inmediatez en las comunicaciones, y serán menos tolerantes a áreas sin cobertura.