Vi presentiamo oggi un nuovo articolo della Rubrica Firmware Reload. Durante la Embedded World Conference 2013 tenutasi a Norimberga, il leader mondiale nella produzione dei microcontrollori, la Atmel Corporation, ha annunciato la possibilità del transceiver AT86RF233 2.4 GHz IEEE 802.15.4, di poter effettuare misurazioni di distanza tra due radio. Tale tecnica è definita ranging.
Si tratta di un transceiver a bassa potenza, operante alla frequenza di 2.4 GHz per ZigBee, RF4CE, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN, applicazioni ISM e in generale per applicazioni con veloce flusso di scambio dati. E' composto da un transceiver analogico e da un’unità di demodulazione digitale, con sincronizzazione della frequenza e dell’orario. I componenti di alta frequenza, altamente critici, sono integrati in un chip singolo per ridurre l’utilizzo di componenti esterni. Sono, infatti, necessari solo l’antenna, il quarzo e la capacità.
Figura 1: La Atmel Corporation
Figura 2: Diagramma a blocchi del ricevitore dell'AT86RF233
LA MISURAZIONE DELLA DIFFERENZA DI FASE
Per calcolare la distanza tra due punti, questa nuova tecnologia misura la differenza di fase tra i segnali radio e li instrada in una rete senza fili per poter essere facilmente utilizzati in applicazioni industriali o private. Questo tipo di misurazione è un tantino più semplice di quella oggi adottata ma permette di ottenere le stesse precisioni di misura a costi più bassi. L’esigenza primaria è quella di determinare l’esatta posizione del singolo nodo, in una rete wireless, al fine di garantire una manutenzione ottimale della stessa e ridurne i costi di gestione. Per tale motivo si cercano oggi metodi e metodologie atte alla determinazione del posizionamento e della localizzazione dei nodi. L’utilizzo della rete satellitare GPS, molto efficiente in ambienti aperti, diventa impossibile in locali chiusi, sottoterra o, in generale, in luoghi non coperti dalle triangolazioni GPS. Gli esperimenti atti a migliorare la misurazione delle distanze hanno previsto svariate metodologie. Sono state provate alcune tecnologie come, ad esempio, i metodi Chirp e UWV, la RSSI ed altre.
Molti di questi metodi non erano particolarmente adatti allo scopo. Alcuni risultavano troppo settorializzati, altri molto costosi, altri ancora poco precisi. Viceversa, il metodo proposto dalla Atmel unisce le alte prestazioni della tecnologia alle elevate precisioni di misura nonché ai relativi bassi costi di implementazione. Questo è possibile grazie alla combinazione di tanti sensori wireless con i quali la localizzazione avviene in tempo reale. Le applicazioni pratiche di questa tecnologia sono davvero tante. Un esempio pratico è quello del tracciamento e localizzazione del bestiame e, grazie alla misura diretta della differenza di fase tra i segnali radio, è possibile tracciare ed inseguire con molta precisione centinaia di capi di bestiame, anche in allevamenti di grandi dimensioni. Questa nuova tecnologia, che misura con precisione la differenza di fase, può essere utilizzata per determinare la posizione esatta dei nodi all’interno di una rete. Con un ricetrasmettitore radio standard, è possibile abbassare significativamente l’intero costo del sistema.
Figura 3: Il registro PMU_VALUE
LA MISURA DELLA DIFFERENZA DI FASE
La misura della differenza di fase (PMU) è caratterizzata dalla misura di fase relativa del segnale ricevuto. Il transceiver AT86RF233 esegue la misura di fase del segnale ricevuto rispetto a un riferimento interno. Il valore derivato rappresenta il ritardo di fase del segnale ricevuto. Tale valore è memorizzato all’interno del registro PMU_VALUE, precisamente il registro 0x3B denominato PHY_PMU_VALUE. Tale registro viene periodicamente aggiornato.
Figura 4: Pin-out dell’Atmel AT86RF233
Figura 5: Il transceiver Atmel AT86RF233
Figura 6: Misura della distanza da punto a punto
POSIZIONE DELLE ANTENNE
Per la corretta misura delle distanze, la configurazione delle antenne riveste un ruolo fondamentale. Il risultato finale è affidabile quando le antenne sono state collocate in modo appropriato. Occorre, a tale proposito, distinguere due diversi scenari.
Figura 7: Risultati della misura della distanza da punto a punto
Figura 8: Orientamento delle antenne per una misurazione ottimale
APPLICAZIONI ALL’INTERNO DI UN LOCALE
Questo tipo di applicazioni è senza dubbio il più critico. Eventuali riflessioni anomale delle portanti sulle pareti o la presenza di sedi metalliche dell’edificio potrebbero interferire con le misurazioni. Per le misure di distanze in ambiente chiuso o, in generale, all’interno di locali chiusi, è fortemente consigliato l’orientamento di due antenne girevoli, con un angolo di 90°. Questo si può ottenere in due modi diversi: “a Bracci aperti”, alzando le due antenne a 45°; “a Piano-retta”, con una antenna in posizione verticale ed una orizzontale.
Figura 9: Esempio di esecuzione di una misura
Figura 10: Misura in “continuo”
APPLICAZIONI ALL’APERTO
Questa tipologia di applicazioni è indubbiamente meno critica e la posizione delle antenne può essere scelta con più disinvoltura.
Figura 11: Misura singola
Figura 12: Esempio di esecuzione di un’applicazione in Python
Esempio
Un tipico esempio prevede un host PC. Le operazioni sono configurate ed avviate proprio da quest’ultimo. La misura è effettuata tra il nodo “Iniziatore” ed il nodo “Riflettore” e, infine, visualizzata sul PC, attraverso il nodo “Coordinatore”.
MODALITÀ DI MISURAZIONE
Le misure della distanza possono avvenire secondo una delle seguenti modalità:
- Misura in continuo: avviando questa modalità, la misurazione della distanza avviene continuamente, con la visualizzazione della distanza visualizzata ripetutamente;
- Misura singola: questo tipo di opzione permette la visualizzazione del risultato assieme ad un fattore di qualità (DQF), espresso in percentuale (%). Tale parametro è molto importante poiché permette di valutare la bontà della misura effettuata, secondo le differenti condizioni ambientali e strutturali. Un alto fattore DQF indica un ambiente privo di disturbi e caratterizzato da minime interferenze, mentre un valore basso indica una grave situazione di interferenze durante la misurazione, per cui il valore visualizzato è da prendere con il beneficio d’inventario;
- Misura locale: simile a quella precedente, eseguita tra il “Coordinatore” e un altro nodo.
INTERFACCIAMENTO CON PYTHON
L’utente può utilizzare il linguaggio Python per creare da sé programmi e script per l’automatizzazione del sistema. Anche in rete si trovano script già pronti per sfruttare appieno le potenzialità offerte da tale tecnologia.
CONSIGLI PER UNA MISURAZIONE OTTIMALE
Adesso elenchiamo alcuni consigli preziosi per ottenere la massima precisione dai dispositivi Atmel e, soprattutto, dalla tecnologia “ranging”:
- utilizzare buone antenne;
- in postazioni fisse usare antenne direttive;
- le antenne di piccole dimensioni potrebbero produrre scarsi risultati;
- in locali interni utilizzare le antenne disposte ad angolo di 90°. In ambiente esterno usare antenne verticali;
- posizionare le infrastrutture in posizioni elevate e vicino ai muri;
- non collocarle, inoltre, a terra e dietro oggetti (specialmente metallici o esseri umani);
- usare, se possibile, il filtraggio del segnale;
- utilizzare la più bassa potenza possibile di trasmissione.
CONCLUSIONI
In questa era di Internet si sta assistendo ad un aumento di dispositivi intelligenti collegati all’interno delle reti wireless. Essi consentono di ottenere risultati sbalorditivi che, un tempo, era impossibile raggiungere con semplici risorse e costi relativamente bassi.
