Tarjetas de desarrollo

En 1947 los investigadores William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen colocaron dos diodos de forma consecutiva, dejando que ambos diodos compartieran el semiconductor p, dando en esta forma el nacimiento de los transistores. Debido a sus características físicas, su bajo costo de fabricación y su tamaño, estos elementos fueron sustituyendo a los bulbos, o tubos de vacío, dentro de la electrónica comercial. Esta sustitución dio como resultado la llamada miniaturización de la electrónica, es decir, generar dispositivos más pequeños cada vez. Esta miniaturización tuvo un fuerte empuje en 1971, ya que se crea el primer microprocesador del mundo, el Intel 4004, el cual era una CPU de 4 bits (Figura 1). Esto desencadeno que la ciencia buscara reducir cada vez más el tamaño de los transistores, y en consecuencia, el tamaño de los dispositivos electrónicos y micro procesadores.

Fig. 1.- Primer procesador de la historia, el Intel 4004.

El abaratamiento de los costos de producción y la búsqueda de dispositivos con mayores capacidades de procesamiento y cómputo, fue generando procesadores más potentes y más pequeños, construidos con cada vez más transistores en su interior. Gordon Moore formula su ley emperica conocida como “La ley de Moore”, la cual dice que “aproximadamente cada año se duplicará el número de transistores en un microprocesador”, situación que se ha ido cumpliendo.

Esta miniaturización logro evolucionar y hacer más baratos los dispositivos de procesamiento, logrando que hoy en día una persona no especializada en cuestiones técnicas, tenga en la palma de su mano, complejas microcomputadoras capaces de realizar procesamiento de alto rendimiento. Cuando el lector lee acerca de estos dispositivos de procesamiento puede imaginar rápidamente un teléfono celular, sin embargo, no son los únicos micro dispositivos de procesamiento con los que convive día a día, estos microprocesadores y microcontroladores los podemos encontrar en smartcards embebidas en tarjetas de crédito, relojes inteligentes, sistemas de video juegos portátiles, auriculares, cerraduras electrónicas, dentro de las impresoras, dentro de juguetes electrónicos, en el microondas, en el sistema refrigerador, entre muchos otros lugares, ver figura 1.

Fig. 2.- Dispositivos cotidianos que cuentan con un microprocesador o un microcontrolador. a) Lector de tarjetas, b) Reloj inteligente, c) Videojuegos portátiles, d) Juguetes, e) Electrodomésticos, f) Herramientas de medición.

Esta cotidianeidad de los sistemas de procesamiento, también ha impactado en el aspecto académico y de desarrollo tecnológico, permitiendo que prácticamente cualquier estudiante, o individuo, interesado en desarrollar sistemas ingenieriles tenga acceso casi inmediato a diferentes tarjetas de desarrollo y sistemas embebidos, las cuales pueden ser utilizadas en prácticamente cualquier idea que el usuario quiera realizar. Pero, ¿Qué es una tarjeta de desarrollo?

Una tarjeta de desarrollo es una herramienta que permite a un usuario la realización de diseño de prototipos tecnológicos, cuentan con una unidad principal de procesamiento de información, así como la integración, dentro del mismo dispositivo, de los elementos necesario para realizar diferentes y variados proyectos de desarrollo y de investigación.

Dentro de los componentes principales con los que estas placas cuentan están la memoria, el bus de comunicación, puertos de entrada y salida como unidades USB, Ethernet, pines de entrada y salida de propósito general (los cuales pueden ser digitales o analógicos), en algunos casos cuentan con comunicación vía Wi-Fi, y en casos más particulares cuentan con características especiales para la facilitación de su integración en sistemas IoT e Industria 4.0.

Recientemente se ha dado un crecimiento en la cantidad de tarjetas de desarrollo que se pueden encontrar en el mercado, las cuales explotan diferentes cualidades y características, basta con realizar una búsqueda rápida en cualquier página de venta minorista, tal como amazon, para poder acceder a un gran abanico de posibilidades. Por este motivo es sumamente complicado poder recopilar la información relacionada a todas ellas en este post, sin embargo, nos podemos centrar en algunas de las placas más populares dentro del territorio mexicano.

Raspberry Pi

Esta placa tiene gran popularidad hoy en día, es denominada como una computadora de placa reducida (SBC, por sus siglas en inglés), desarrollada en el Reino Unido por la Raspberry Pi Foundation. Nació con la intención de acercar a las personas al mundo de la informática, sin embargo, rápidamente se salió de ese enfoque y los usuarios la comenzaron a utilizar para el desarrollo tecnológico de toda índole.

Raspberry es completamente un computadora, teniendo todos los periféricos que cualquier PC casera contiene, incluyendo unidades de almacenamiento, la capacidad de poderse conectar a monitores, conexión de mouse y teclados, adicionalmente, funciona con diferentes sistemas operativos, el más popular Raspbian que es una versión de Debian.

A pesar de que originalmente no estaba diseñado para el desarrollo de prototipos, esta tarjeta ha adquirido gran popularidad en esta rama, convirtiéndose en el punto central de muchos proyectos de domótica, IoT, e industria 4.0, tales como sistemas de monitoreo de pacientes (Kumar & Rajasekaran, 2016), sistemas de monitoreo de la calidad del aire en el IoT (Kumar & Jasuja, 2017), diseño de casas inteligentes (Patchava et al., 2015), sistemas de seguridad (Somani et al., 2018), controladores industriales(Vieira et al., 2020), entre muchas otras aplicaciones. La Raspberry Pi se puede ver en la figura 3.

Fig. 3.- Tarjeta Raspberry Pi 3. Imagen recuperada de https://pixabay.com/es/photos/frambuesa-pi-raspberry-pi-3-equipo-5414142/

Beaglebone

Es una placa de bajo consumo, pero de gran potencia computacional. Desarrollada por Texas Instruments en asociación con DigiKey y Newark element14. Esta tarjeta fue diseñada para desarrollar software de código abierto, y al igual que otras placas de este tipo, también fue diseñada con la intención de que pueda ser utilizada por estudiantes y desarrollar proyectos basados en software y hardware libre. Actualmente es comercializada bajo la licencia share-alike de Creative Commons. Un aspecto relevante, es que es una placa que contiene en si misma su propio OS, que puede ser Debian, Android o Ubuntu. Existen varias versiones de esta tarjeta de desarrollo, para visualizar sus características y áreas de investigación de cada una de ellas, puede leerse (Nayyar & Puri, 2015).

Beaglebone ha sido utilizada para el desarrollo de diferentes proyectos tecnológicos, por ejemplo como sistema de control para una navegación de robot móvil de unidad diferencial utilizando una sola cámara conectada a la plataforma del robot (Siradjuddin et al., 2015). Esta placa también ha sido parte central de esquemas relacionados al Internet de las Cosas (IoT), en (Chianese et al., 2015) se desarrolló un sistema multisensor inteligente, donde se crea una red jerárquica multipropósito compuesta por nodos inteligentes capaces de obtener y administrar datos y espacios heterogéneos de acuerdo con el paradigma del IoT. Esta placa también ha servido para el desarrollo de monitoreo de contaminación en una ciudad, midiendo el nivel de dióxido de carbono y monóxido de carbono en el aire junto con la ubicación del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) tal como se puede ver en (Desai & Alex, 2017), entre otros proyectos (Shariff et al., 2016) ,( Benadda et al., 2017). En la figura 4 se puede apreciar la tarjeta Beaglebone.

Fig. 4.- Tarjeta de desarrollo Beaglebone.

Tiva-C LaunchPad

Esta plataforma de desarrollo, se focaliza en el diseño de prototipos electrónicos, está basada en la familia de microcontroladores de Texas Instruments. Utiliza el microcontrolador M4C123G. Puede ser programada por medio de lenguaje C, o a través del proyecto Energía, que es una variante Open Source del entorno de desarrollo integrado (IDE) de Arduino. Las características y forma de uso pueden verse en (Morales, 2013).

Tiva-C ha sido utilizada para proyectos tales como el desarrollo de un sistema de adquisición de información multiespectral para analizar la cobertura vegetal, donde la placa de desarrollo se acopla con un vehículo aéreo no tripulado, lo que permite la maniobrabilidad de latitud y longitud, tal como puede verse en (Galindo et al., 2015). También ha sido utilizada para la construcción de un prototipo de laboratorio de una red de sensores inalámbricos (Ahmed et al., 2015), entre otros proyectos. En la figura 5, se puede ver la tarjeta Tiva C.

Fig. 5.- Tarjeta de desarrollo Tiva-C.

Arduino

Probablemente la tarjeta más conocida a nivel mundial. Desarrollado en 2003 en el Instituto de Diseño Interactivo de Ivrea, Italia, con la intención de hacer fácil la programación y el diseño de prototipos. Su principal característica es que, aunque existe el proyecto Arduino de manera formal (https://www.arduino.cc/), y en su página se venden las placas “originales”, esta tarjeta está desarrollada bajo el concepto de software y hardware libre, lo que implica que cualquier persona puede replicar la tarjeta sin ninguna restricción.

Esta placa se ha popularizado en gran medida, debido a la facilidad con la que se pueden realizar proyectos académicos, técnicos y científicos, basta con teclear en cualquier buscador “Arduino proyectos” para que se despliegue una cantidad incontable de proyectos a realizar con la plataforma. Algunos detractores de esta herramienta, basan sus criticas precisamente en la facilidad con la que se puede programar la placa, sin embargo, hay que recordar que es precisamente esta facilidad la que ha acercado a millones de estudiantes, y personas en general, a nivel mundial al diseño ingenieril y que se pueden realizar proyectos tan complejos como al usuario se le ocurra.

Huelga decir que Arduino ha sido el eje central de diversos proyectos científicos dentro de diferentes ramas del conocimiento por ejemplo en biología (Ragazzini et al., 2021), en mecánica (Varanis et al., 2016), en medicina (Digarse & Patil, 2017), en cuidado ambiental (Gupta et al., 2018), y un muy grande etcétera. En la figura 6 se puede ver algunas de las versiones de la placa Arduino.

Fig. 6.- Diferentes placas de Arduino. a) UNO, b) Mega, c) Nano, d) Lylipad, e) Esplora.

Obviamente cada una de las tarjetas de desarrollo mencionadas, tienen características diferentes entre sí, así mismo, cada una de estas placas puede ser utilizada para propósitos diferentes, ya que algunos proyectos necesitaran una gran potencia en procesamiento, ser adecuados para monitoreo de información en tiempo real, o simplemente ser ejecutores de sentencias de control, por eso es importante que al plantear un proyecto, se tomen en cuentas las características del proyecto así como de la placa que se desea utilizar y se verifique si son compatibles entre sí. En la tabla 1, se presentan algunas de las características más representativas de las tarjetas definidas aquí, sin embargo, debido a las diferentes versiones que existente en el mercado de cada tarjeta, sólo nos enfocaremos en un solo modelo de cada una de ellas.

Tabla 1.- Comparativo de las características principales de las tarjetas de desarrollo presentadas en esta página.

Características	Arduino UNO	Tiva- C	Beaglebone	Raspberry Pi 4	Raspberry Pi 3
Lugar de desarrollo	Interaction Design Institute Ivrea, Italy.	Texas Instruments	Texas Instruments	Reino Unido, Raspberry Pi Foundation	Reino Unido, Raspberry Pi Foundation
Memoria Flash	32KB Memoria Flash.	256KB Memoria Flash	2GB Memoria Flash
Memoria	Additional SD or Micro SD shield	32KB SRAM, 2KB EEPROM	512MB RAM,  External microSD	8 GB RAM, External Micro SD	1 GB RAM, Memoria externa Micro SD
Velocidad de procesamiento	16 MHZ	80Mhz	1GHz	1,5 GHz	1.2 GHz
Unidad de procesamiento	Atmega 328p	ARM Cortex-M4F, 32-Bit	ARM Cortex-A8 32-Bit	Broadcom BCM2711B0, quad-core Cortex-A72	Quad Core ARM Cortex-A53
Conexión a internet	Modulo adicional, Wi-FI	Modulo adicional, Wi-Fi	Puerto Ethernet	Wi-Fi 2,4GHz / 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac Bluetooth 5.0, BLE	Puerto Ethernet, Wi-Fi
General Purpose Input/Output (GPIO)	14 digital I / O pins (6 PWM outputs).	40	92	GPIO 40 pines, 2 x Micro HDMI, 2 x USB 2.0, 2 x USB 3.0	GPIO 40 pines, 1 x Micro HDMI, 1 x USB 2.0, 1x HDMI
Software	Arduino IDE, external	Energia	Linux, Debian	S.O. Debian, Linux	Debian
Voltaje de operación	5 V	5 V (3.3 V, GPIO)	5 V	5 V	5V
Costo promedio	$ 22 USD	$ 24 USD	$ 50 USD	$ 129 USD	$ 40USD

Como se ve en la tabla 1, las características son muy variadas, incluso entre tarjetas de la misma familia, como es el caso de la Raspberry Pi 3 y 4.

Algo que es importante mencionar, es que actualmente se están desarrollando diferentes herramientas y funcionalidades para que las tarjetas de desarrollo interactúen adecuadamente con algoritmos de inteligencia artificial y conexiones al IoT, lo cual dota a estos dispositivos de una adaptabilidad a los nuevos tiempos y esquemas de comunicación.

Referencias

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Benadda, B., Elgorma, M., & Beldjilali, B. (2017, February). Embedded BeagleBone based Wi-Fi intrusions detector and vulnerabilities checker. In 2017 Seminar on Detection Systems Architectures and Technologies (DAT) (pp. 1-5). IEEE.

Chianese, A., Piccialli, F., & Riccio, G. (2015). Designing a smart multisensor framework based on beaglebone black board. In Computer Science and its Applications (pp. 391-397). Springer, Berlin, Heidelberg.

Desai, N. S., & Alex, J. S. R. (2017, March). IoT based air pollution monitoring and predictor system on Beagle bone black. In 2017 International Conference on Nextgen Electronic Technologies: Silicon to Software (ICNETS2) (pp. 367-370). IEEE.

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Galindo, A. K. T., Rivera, A. F. G., & López, A. F. J. (2015). Development of a multispectral system for precision agriculture applications using embedded devices. Sistemas & Telemática, 13(33), 27-44.

Gupta, R., Das, C., Roy, A., Ganguly, R., & Datta, A. (2018, March). Arduino based temperature and humidity control for condensation on wettability engineered surfaces. In 2018 Emerging Trends in Electronic Devices and Computational Techniques (EDCT) (pp. 1-6). IEEE.

Kumar, R., & Rajasekaran, M. P. (2016, January). An IoT based patient monitoring system using raspberry Pi. In 2016 International Conference on Computing Technologies and Intelligent Data Engineering (ICCTIDE’16) (pp. 1-4). IEEE.

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Nayyar, A., & Puri, V. (2015, November). A review of Beaglebone Smart Board’s-A Linux/Android powered low cost development platform based on ARM technology. In 2015 9th International Conference on Future Generation Communication and Networking (FGCN) (pp. 55-63). IEEE.

Patchava, V., Kandala, H. B., & Babu, P. R. (2015, December). A smart home automation technique with raspberry pi using iot. In 2015 International conference on smart sensors and systems (IC-SSS) (pp. 1-4). IEEE.

Ragazzini, G., Guerzoni, J., Mescola, A., Di Rosa, D., Corsi, L., & Alessandrini, A. (2021). A Fully Integrated Arduino-Based System for the Application of Stretching Stimuli to Living Cells and Their Time-Lapse Observation: A Do-It-Yourself Biology Approach. Annals of Biomedical Engineering, 1-17.

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