Quando fu introdotto, quasi 20 anni fa, il Bluetooth era stato concepito principalmente come protocollo wireless per i dispositivi consumer, come i telefoni cellulari, trovando però rapidamente applicazioni nel controllo industriale. Anche se l'ambiente industriale può essere ostile in termini di interferenze elettromagnetiche, il Bluetooth era stato progettato per gestire i disturbi e altri problemi delle radiofrequenze.
Introduzione
Diverse grandi aziende di apparecchiature industriali svilupparono sistemi basati sul Bluetooth, poiché l'arrivo di un protocollo in grado di supportare l'implementazione facile e a basso costo aveva aperto nuove possibilità, come ad esempio il collegamento di sistemi di office automation ai controller industriali. Ciò permetteva ai primi di acquisire facilmente i dati di produzione senza la necessità di collegamento ai bus di campo utilizzati per il controllo in tempo reale o per eseguire ulteriori cablaggi per supportare Ethernet. Gli operatori potevano facilmente conoscere lo stato dei controller da computer palmari o utilizzare il link per scaricare nuovi programmi sui controller.
Il Bluetooth utilizza lo spettro espanso a salto di frequenza per evitare interferenze della banda stretta. Se un altro trasmettitore occupa un canale, il protocollo consente di passare su canali non intasati. Poiché il salto di frequenza è adattativo, si possono facilmente aggirare le numerose fonti di interferenza quando si presentano. Il salto di frequenza aiuta il Bluetooth a gestire i molti ostacoli alla ricezione radio che possono essere presenti in un ambiente industriale. Le cancellazioni che derivano dai riflessi delle superfici causeranno l'affievolimento in diverse posizioni spaziali per ciascun canale. Se l'affievolimento non è accettabile su un canale, il ricetrasmettitore Bluetooth può facilmente passare a un altro. In molti casi i riflessi possono portare segnali più forti di quelli previsti in alcuni canali, cosa che contribuisce a migliorare la ricezione complessiva.
Figura 1: Spettro espanso a salto di frequenza
Il settore industriale
L'evoluzione del Bluetooth promette di rendere il protocollo wireless più adatto agli ambienti industriali. Allo stesso tempo, l'introduzione di dispositivi come il CC2540T di Texas Instruments, che supporta una gamma estesa di temperature, contribuisce a migliorare la compatibilità complessiva dei ricetrasmettitori Bluetooth con l'ambiente industriale. A differenza di molti protocolli di comunicazione tradizionali, Bluetooth supporta una topologia flessibile che facilita notevolmente l'implementazione. Nella sua forma originale, Bluetooth supporta una portata limitata rispetto ad altri protocolli di maggiore potenza come il Wi-Fi. Questo riduce il consumo energetico complessivo, che rappresenta un chiaro vantaggio con l'introduzione di IoT (Internet of Things) nel settore industriale.
Modifiche e miglioramenti al protocollo stanno rendendo possibile il superamento del limite di portata e quindi consentiranno di utilizzare dispositivi basati su Bluetooth in un panorama di applicazioni più ampio. Ad esempio, i sensori ambientali alimentati a batteria possono essere installati in luoghi difficili da raggiungere con cavi di rete o bus di campo. L'uso di un protocollo wireless permette a questi sensori di comunicare con altri dispositivi all'interno della fabbrica e con i computer portatili o i tablet che gli operatori utilizzeranno per gestirli anche fuori della normale portata di un trasmettitore Bluetooth. Il Bluetooth Special Interest Group (SIG) ha annunciato una serie di miglioramenti al protocollo il cui rilascio è previsto nel corso del 2016. Uno di questi è una modifica che consentirà di aumentare la normale portata di trasmissione di ben quattro volte. Un'estensione che migliorerà la ricezione del segnale di comunicazione su lunghe distanze, riducendo il bitrate.
Il protocollo è adattivo, per cui i nodi più vicini possono utilizzare bitrate più elevati. I dispositivi poco distanti tra loro vedranno raddoppiare la velocità di trasmissione a 2Mbit/s. Il supporto per le modalità di datarate avanzate è già presente su alcuni device, come il BCM20706 della famiglia di SoC WICED Broadcom. Nei casi in cui gli utenti industriali decideranno di sfruttare i vantaggi dell'intelligenza ambientale, Bluetooth fornirà un'altra opzione per le comunicazioni a lungo raggio: il mesh networking. La base per questa modalità è stata posta con il rilascio della versione 4.1 della specifica Bluetooth (figura 2).
Figura 2: Rete mesh
Supportata da moduli come la famiglia Blue Giga Silicon Labs e ENW89846A-KF Panasonic, la versione 4.1 della specifica Bluetooth ha introdotto il concetto di Scatternet. L'approccio Piconet utilizzato dalla specifica di protocollo originale è basato su una configurazione master-slave convenzionale in cui un master è collegato a livello logico a una serie di slaves, e avvia la comunicazione. Questa soluzione è stata progettata per supportare la tipica implementazione di un dispositivo master, come ad esempio un telefono cellulare, che comunica con varie periferiche Bluetooth quali cuffie, microfoni e sensori indossabili. Scatternet rende possibile per un nodo master con una connessione logica a uno o più nodi slave di essere anche uno slave di altri nodi. Questa capacità di scambiare la modalità master e slave consente al nodo di gestire la connettività multi-hop necessaria per le reti mesh.
Il mesh networking migliora sia la resilienza della rete - importante in ambito industriale - che la portata delle comunicazioni. Una rete mesh consente ai pacchetti di percorrere una grande distanza saltando da un nodo a un altro. Se un nodo che viene utilizzato per trasmettere i dati a un altro nodo non funziona, molto spesso può intervenire un terzo nodo come sostituto. Questo potrebbe essere il caso di un ambiente industriale in cui un gran numero di controller e sensori possono essere implementati attorno all'area di produzione. I sensori in posizioni di difficile accesso - come sul tetto di un magazzino o sulla sommità di una grande macchina per la stampa - possono consentire l'accesso anche se potrebbero essere difficili da raggiungere dalle comunicazioni wireless dirette. Il mesh networking mette a disposizione un altro impianto che può essere utile in una rete industriale. Per inviare un messaggio a un numero di dispositivi su una rete IoT, un protocollo non mesh convenzionale chiede al master di inviare a sua volta un messaggio a ciascun nodo ricevente.
Una rete che supporta l'architettura mesh può utilizzare una tecnica definita 'flooding'. Un dispositivo invierà un comando ai dispositivi vicini ad esso. Questi dispositivi trasmettono poi il messaggio ai loro vicini fino a quando tutti sono stati contattati. Sebbene sia utile la possibilità di rivolgersi a più dispositivi contemporaneamente, la sicurezza è un timore crescente per gli impianti industriali che cercano di evitare attacchi esterni che possono violare la rete o interrompere il funzionamento del sistema. Bluetooth ha sempre supportato la comunicazione sicura, ma viene utilizzato per richiedere supporto da un microcontroller host.
La versione 4.2 di Bluetooth, supportata da moduli come BM70 di Microchip Technology, ha reso più stringenti le funzioni di sicurezza del protocollo e prevede che le stesse possano risiedere sul controller RF. Se un dispositivo sicuro entra nel campo, non è necessario attivare il processore host, risparmiando così il consumo energetico complessivo. Le impostazioni di sicurezza consentono di utilizzare i beacon in molti modi diversi per seguire i movimenti dei dispositivi nell'area di produzione e monitorare meglio le attività. Un beacon è un dispositivo Bluetooth che interagisce con altri dispositivi che entrano nel campo. Con l'aggiornamento Bluetooth 4.2, un beacon può inviare messaggi solo a dispositivi che lo considerano sicuro. Gli aggiornamenti del protocollo consentono anche livelli di sicurezza successivi tali per cui i beacon possono inviare messaggi sintonizzati a diversi tipi di dispositivi quando appaiono nel campo.
Questo offre agli sviluppatori un alto livello di granularità per creare applicazioni di tipo asset-tracking. TI, tra gli altri, supporta la tecnologia beacon su una serie di dispositivi nella sua gamma CC25xx di controller Bluetooth e ha presentato un progetto di riferimento di sola trasmissione basato sul CC2543 che utilizza pochissima energia. Questo rende conveniente utilizzare la tecnologia Bluetooth per supportare i tag di tracciatura intelligenti. Con le modifiche al protocollo Bluetooth, i dispositivi possono anche interagire con device che utilizzano il protocollo wireless 6LowPAN. In quanto tecnologia RF chiave per IoT, l'interoperabilità del Bluetooth con 6LowPAN ne estenderà la portata, fungendo potenzialmente da connessione tra il bus di campo industriale principale e i nodi di sensori a basso costo che utilizzano 6LowPAN. Inoltre, i moduli Panasonic e Silicon Labs consentono la facile integrazione del supporto wireless per Bluetooth Smart nelle apparecchiature esistenti attraverso il supporto di una varietà di standard I/O digitali, tra cui porte general-purpose, per microcontroller I2C, SPI o UART.
Conclusioni
L'evoluzione del protocollo negli ultimi anni ha reso il Bluetooth una soluzione sempre più attraente per le comunicazioni industriali, e nel 2016 sono in arrivo altre novità. Le modifiche al protocollo Bluetooth hanno migliorato la sicurezza, il consumo di energia e la velocità dei dati, con aggiunte future che supporteranno le comunicazioni mesh. Questo rende il Bluetooth una scelta sempre più interessante per le applicazioni industriali.
A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics
Con il bluetooth 5 si dovrebbe riscontrare un maggior successo nell’IIoT. A breve un articolo sul bluetooth 5.