#5 Schede di sviluppo per soluzioni wireless

Il mondo delle comunicazioni wireless è un intricato mix di innovazione tecnologica e componentistica hardware avanzata, che consente la trasmissione di quantità di dati più o meno grandi senza aver bisogno di canali di comunicazione fisici. Al centro di questo filone tecnologico troviamo sicuramente l'elettronica, la principale disciplina che ha reso possibile il miracolo delle comunicazioni senza cavi. I dispositivi wireless, che vanno dagli smartphone agli apparati di rete, sono dotati di componenti hardware specifici progettati per ottimizzare la trasmissione e la ricezione dei segnali garantendo le velocità di trasmissione proprie dello specifico protocollo. Infatti, i chip RF (Radio Frequency) e tutta la progettazione elettronica di contorno, compreso antenne e piste dei segnali sul PCB, sono elementi cruciali in questo contesto poiché consentono la conversione efficiente dei dati in segnali radio, e viceversa. La miniaturizzazione di questi chip, attraverso tecnologie come la microelettronica, ha permesso la creazione di dispositivi compatti e potenti. In questo articolo, andremo ad osservare diverse schede di sviluppo che ben si prestano alla veloce prototipazione per diverse tecnologie di comunicazione wireless.

Le comunicazioni wireless sono al centro dei più recenti sviluppi tecnologici come l'IoT (Internet of Things) in tutte le sue sfaccettature (domotica, industriale e via dicendo), il mondo delle comunicazioni mobili con il Bluetooth o le connessioni LTE 4G e il più recente 5G, il settore automotive e tantissimi altri contesti come ad esempio l'elettromedicale, il settore militare o dei trasporti. La frequente evoluzione delle reti wireless, come il passaggio dal 4G al 5G, pone costantemente nuove sfide all'elettronica e alla componentistica hardware. La ricerca di materiali avanzati e di soluzioni innovative è cruciale per garantire prestazioni sempre più rapide e affidabili. In questo scenario, ingegneri e scienziati collaborano per plasmare un futuro in cui la connettività wireless sarà non solo una comodità, ma una componente indispensabile della vita moderna. Ogni qualvolta si sviluppa una nuova soluzione o si vuol dimostrare l'idea di base di un nuovo prodotto, l'elemento chiave da affrontare diventa il time-to-market. Il "time-to-market" (TTM) è un parametro da non sottovalutare in quanto rappresenta la durata complessiva che un prodotto richiede per passare dalla fase di concezione e progettazione al momento in cui è effettivamente disponibile sul mercato e pronto per essere commercializzato, ossia generare ricavi. Questo dunque è un parametro fondamentale e rappresenta uno degli aspetti critici nello sviluppo di soluzioni tecnologiche. In questo articolo, andremo ad osservare nel dettaglio 5 schede di valutazione di diversi prodotti che risultano le più adatte per una veloce prototipazione per gli specifici protocolli di comunicazione per le quali sono state concepite. Dunque, entreremo nel dettaglio di queste schede:

SiliconLabs SiWx917 per applicazioni Wi-Fi 6 + Bluetooth LE 5.4
MIKROE-1298 per applicazioni GSM
EV-Kit Mimas per applicazioni wireless M-BUS
STM B-L072Z-LRWAN1 per applicazioni con LoRa
DIGI XK3-Z8S-WZM per applicazioni Zigbee

1. SiliconLabs SiWx917 per applicazioni Wi-Fi 6 + Bluetooth LE 5.4

La scheda di valutazione SiWx917 (riportata in Figura 1) prodotta dalla SiliconLabs consente di poter realizzare velocemente progetti che supportino le più recenti versioni di protocollo per il Wi-Fi e il Bluetooth. Questa scheda di valutazione è basata sul chip SiWx917, un System-On-Chip (SoC) concepito per supportare lo sviluppo di dispositivi IoT wireless a bassissimo consumo energetico, unendo le potenzialità di Wi-Fi 6, Bluetooth, Matter e IP networking per una connettività cloud sicura.

L'aspetto più interessante è la compatibilità con il protocollo Wi-Fi 6, ufficialmente noto come IEEE 802.11ax. Questa versione del protocollo rappresenta un avanzamento significativo rispetto alle generazioni precedenti di Wi-Fi. Tecnicamente, la versione Wi-Fi 6 introduce diverse caratteristiche che migliorano l'efficienza e le prestazioni complessive delle reti wireless. Tra le principali caratteristiche si trovano la tecnologia OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), che consente una suddivisione più efficiente del canale in sotto-canali per gestire contemporaneamente più dispositivi, e MU-MIMO (Multi-User, Multiple Input, Multiple Output) migliorato, che permette di trasmettere dati simultaneamente a più dispositivi. Confrontando Wi-Fi 6 con le generazioni precedenti, come Wi-Fi 5 (802.11ac), si notano miglioramenti significativi nelle prestazioni e nell'efficienza energetica. Wi-Fi 6 è progettato per gestire in modo più efficiente un elevato numero di dispositivi con una maggiore larghezza di banda complessiva e una migliore gestione del traffico di rete. L'implementazione di OFDMA e MU-MIMO migliorato consente di ottimizzare la comunicazione simultanea con più dispositivi, riducendo i tempi di latenza e migliorando l'esperienza utente complessiva. Inoltre, Wi-Fi 6 è progettato per garantire una migliore copertura e prestazioni in ambienti affollati, consentendo una maggiore affidabilità delle reti wireless in scenari reali.

Figura 1: Scheda di sviluppo SiliconLabs SiWx917

Alcune tra le caratteristiche più interessanti di questo SoC che troviamo a bordo della scheda di valutazione sono le seguenti:

Core ARM Cortex-M4F con frequenza fino a 180 MHz e prestazioni di 225 DMIPS
Unità Floating Point (FPU) integrata
Oscillatori interni ed esterni con Phase Locked Loops (PLL)
SRAM integrata fino a 672 kB per ARM Cortex-M4F® e ThreadArch®
SRAM on-chip di 192 K/256 K/320 Kbytes per M4F in base alla configurazione di memoria
Fino a 8 MB di PSRAM integrata e supporto per PSRAM esterna opzionale fino a 16 MB
Flash fino a 8 MB (integrata), fino a 16 MB (Flash esterna)
Interfacce di comunicazione Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter (USART), 2x Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART), 4x Serial Peripheral Interface (SPI), 3x Inter Integrated Circuit (I2C), 2x Inter-IC Sound Bus (I2S), Serial Input Output (SIO), Pulse Width Modulation (PWM), Interfaccia Quadrature Encoder (QEI)
Timer: 4x 16/32-bit, 1x 24-bit, Watchdog Timer (WDT), Real Time Counter (RTC)
Fino a 44 General Purpose Input Outputs (GPIOs) con multiplexer GPIO
Convertitore Analogico-Digitale (ADC) da 12-bit, 16 canali, 5 Mbps
Convertitore Digitale-Analogico (DAC) da 10-bit
3x Op-amp, 2x Comparatori, Rilevatore Infrarossi (IR), e Sensore di Temperatura
8 ingressi di sensori capacitivi touch
Funzioni di sicurezza e archiviazione di chiavi hardware

2. MIKROE-1298 per applicazioni GSM

La scheda MIKROE-1298 (vedi Figura 2) rappresenta una soluzione avanzata e versatile per lo sviluppo di progetti IoT e applicazioni embedded basate su comunicazioni GSM. Progettata dalla MikroElektronika, questa scheda offre una vasta gamma di funzionalità e opzioni di connettività, rendendola ideale per progettisti e sviluppatori alla ricerca di una piattaforma flessibile e potente. La scheda è dotata del modulo di comunicazione GSM/GPRS Telit GL865-QUAD. Questo modulo presenta una serie completa di opzioni per la rete cellulare e la comunicazione, come l'indicazione dello stato della rete, il rilevamento dei disturbi, lo stack TCP/IP incorporato, inclusi i protocolli TCP, IP, UDP, SMTP, ICMP e FTP, implementazione completa GPRS classe 10 e tante altre funzionalità.

Figura 2: Scheda di sviluppo MIKROE-1298

3. EV-Kit Mimas per applicazioni wireless M-BUS

Un altro kit di valutazione molto interessante è EV-Kit Mimas della Wurth Elektronik. Questo kit è composto dalle seguenti parti:

una scheda dotata del modulo di comunicazione radio Mimas-I (Figura 3)
una USB stick Mimas-I
2 antenne esterne con connettore SMA

Questo kit è un'ottima soluzione molto versatile per poter progettare soluzioni basate sul protocollo M-BUS wireless, grazie al radio modulo Mimas-I integrato. Il protocollo di comunicazione M-BUS (Meter-Bus) è un'importante tecnologia utilizzata per la lettura remota e la gestione dei contatori elettrici, del gas e dell'acqua. In particolare, la comunicazione wireless M-BUS svolge un ruolo fondamentale nell'automazione e nell'efficienza dei servizi pubblici, consentendo alle aziende di servizi pubblici di gestire meglio le risorse e migliorare la precisione nella misurazione dei consumi. La sua capacità di operare a basse frequenze e con bassi consumi energetici lo rende ideale per applicazioni che richiedono una copertura a lungo raggio e la lettura remota dei dati dei contatori.

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