Interfacce wireless sub-GHz per l’IoT industriale

In questo articolo verranno esaminate le tecnologie più recenti per la connessione dei sensori IoT di tipo industriale, basate sull’utilizzo delle bande di frequenza ISM inferiori a 1 GHz. Partendo dai semplici transceiver, per arrivare sino ai microcontrollori con funzionalità RF integrate, esistono diverse soluzioni in grado di implementare un link di comunicazione wireless a lungo raggio, economico, e a basso assorbimento.

Introduzione

La connessione tra dispositivi multipli rappresenta un fattore chiave per l’Internet of Things (IoT), e questa può diventare una vera e propria sfida quando si opera in ambito industriale. L’IoT industriale, infatti, richiede una connessione affidabile tra numerosi dispositivi, chiamati ad operare in ambienti ostili sia dal punto di vista fisico che elettromagnetico.

Un compito arduo per i sistemi wireless, soprattutto se operanti nell’affollata banda dei 2,4 GHz, già utilizzata dagli standard Wi-Fi e Bluetooth. L’utilizzo di bande al di sotto di 1 GHz (libere da licenze), come ad esempio le frequenze dei 433 MHz, 868 MHz, oppure 915 MHz, consente di coprire distanze superiori rispetto alla banda di 2,4 GHz, ma con velocità di trasmissione inferiori. Questa soluzione è adatta per applicazioni industriali che non richiedono funzionalità di streaming video, ma piuttosto il trasferimento dei dati acquisiti dai sensori, e delle informazioni diagnostiche relative ai dispositivi collegati in rete. I progettisti possono inoltre trovare un buon compromesso tra velocità di trasmissione dati e raggio di copertura della connessione, in modo tale da minimizzare l’assorbimento di potenza, prolungando la durata delle batterie, permettendo inoltre l’utilizzo di sorgenti di alimentazione alternative, come l'energy harvesting. Questa soluzione, se sfruttata correttamente, può comportare un risparmio significativo, ottenuto riducendo i costi relativi alla sostituzione delle batterie che possono arrivare a durare sino a 20 anni.

Tuttavia, questi tipi di collegamenti wireless devono essere estremamente affidabili, e ciò si può ottenere combinando opportunamente tra loro:

l’hardware del transceiver radio;
il microcontrollore;
lo stack di protocollo embedded.

Disponendo di un’ampia gamma di opzioni in ciascuna delle tre aree sopra menzionate, i progettisti possono adattare il sistema, in modo flessibile, alla particolare applicazione industriale richiesta.

I collegamenti wireless a banda stretta al di sotto di 1 GHz sono in grado di coprire distanze fino a 10 km, in quanto subiscono un’attenuazione inferiore da parte dei muri e degli edifici. Inoltre, riducono oppure eliminano la necessità di utilizzare dei gateway o dei ripetitori, diminuendo i costi relativi all’implementazione della rete di connessione.

L’utilizzo di uno spettro di frequenze meno affollato, permette anche di realizzare dei sistemi di trasmissione più semplici e con un minor numero di retry, aumentando l’efficienza e riducendo l’assorbimento. Occorre inoltre tenere presente che la sensibilità radio è inversamente proporzionale all’ampiezza di banda del canale; ne consegue che un’ampiezza di banda più stretta comporta una sensibilità maggiore del ricevitore, garantendo un funzionamento efficiente anche alle velocità di trasmissioni più basse. Ad esempio, nel caso di una frequenza operativa pari a 300 MHz, se l’errore di entrambi gli oscillatori al quarzo del trasmettitore e del ricevitore è pari a 10 ppm (parti per milione), il conseguente errore in frequenza è pari a 3 kHz per entrambi. Affinché l’applicazione possa trasmettere e ricevere correttamente i dati, è necessario che la minima ampiezza di banda del canale sia pari a due volte il tasso di errore (quindi 6 kHz), un valore ideale per le applicazioni a banda stretta. Lo stesso scenario, applicato al caso 2,4 GHz, richiederebbe un'ampiezza di banda minima pari a 48 kHz, un inutile spreco di banda in applicazioni a banda stretta, con conseguente maggiore assorbimento di potenza.

Uno degli svantaggi offerti dalla soluzione sub-GHz è rappresentato dall’esigenza di utilizzare un’antenna di dimensioni maggiori (ad esempio, per la banda dei 433 MHz, è richiesta un’antenna di 17 cm). Tuttavia, questo non rappresenta un grosso problema per le applicazioni di tipo industriale, e può essere risolto adottando delle opportune tecniche di progettazione, come le antenne frattali per le connessioni a corto raggio, oppure aumentando l’ampiezza di banda (a 915 MHz, ad esempio, è sufficiente un’antenna di 8 cm).

Silicon Labs EZR32LG330

I microcontrollori wireless rappresentano un’ottima soluzione per l’implementazione di interfacce wireless in applicazioni IoT di tipo industriale. Il microcontrollore wireless di Silicon Labs, il cui schema a blocchi è visibile in Figura 1, include al suo interno un core ARM Cortex-M3, interfaccia USB, e un’interfaccia RF sub-GHz a basso assorbimento espressamente progettata per le applicazioni IoT. La famiglia di dispositivi ZR32LG, compatibili tra loro pin-to-pin, è disponibile con tagli di memoria flash da 64/128/256 kB, e supporta i transceiver Silicon Labs EZRadio o EZRadioPRO, in grado di coprire le bande di frequenze sub-GHz comprese tra 142 e 1050 MHz. Questi dispositivi sono caratterizzati da una sensibilità fino a –133 dBm (utilizzando il transceiver EZRadioPro), in modo tale da offrire la copertura massima, che può comunque essere ridotta per minimizzare l’assorbimento di potenza.

Figura 1: schema a blocchi dell’EZR32LG330, il primo microcontrollore wireless di Silicon Labs

Il dispositivo permette di coprire tutte le principali bande di frequenze, ed è in grado di fornire una selettività e prestazioni adatte alle applicazioni in banda stretta e per bande proprietarie, come l’FCC Part 90 e l’Mbus wireless a 169 MHz. Una selettività di canale adiacente pari a 69dB, con una spaziatura di canale di 12,5 kHz, implica che esiste una minima possibilità di interferenza tra i canali, e ogni rumore di natura elettrica può essere efficacemente filtrato in modo tale da ridurre pericolose interferenze con il segnale radio.

La comunicazione tra la sezione radio (il transceiver) e la MCU (il controller) è realizzata utilizzando i segnali USART, PRS, e IRQ, i cui pin vanno configurati come indicato in Tabella 1.

Tabella 1: configurazione dei collegamenti tra il controller e il transceiver RF all’interno del dispositivo Silicon Labs EZR32LG330

Una caratteristica molto importante dell’EZR32LG è la presenza di un acceleratore AES in grado di fornire un meccanismo di sicurezza al nodo wireless, tramite l’utilizzo di chiavi di cifratura e decodifica AES a 128 oppure 256 bit. La cifratura o la decodifica di un blocco dati di 128 bit richiede 52 cicli nel caso di chiave a 128 bit, e 75 cicli nel caso di una chiave a 256 bit. Il modulo AES è uno slave AHB, in grado di accedere in modo molto efficiente ai dati e ai registri: tutte gli accessi in scrittura al blocco AES devono essere eseguiti come operazioni a 32 bit.

Il dispositivo mette inoltre a disposizione 38 pin utilizzabili come General Purpose Input/Output (GPIO). I pin sono raggruppati in porte, ciascuna composta da massimo 16 pin, e possono essere singolarmente configurati come pin di ingresso oppure di uscita. Sono inoltre disponibili configurazioni più avanzate, come open-drain, filtraggio, e impostazione del livello di corrente massima, applicabili singolarmente a ogni pin. I pin GPIO possono inoltre essere riutilizzati come pin di periferica, per gestire ad esempio i timer, le uscite PWM, o la linea di comunicazione seriale (USART). Le porte di Input/Output supportano anche fino a 16 interrupt asincroni esterni. I progettisti possono inoltre trarre beneficio dalla funzionalità “Peripheral Reflex System” sviluppata da Silicon Labs: con essa, il valore in ingresso a ogni pin può essere instradato verso altre periferiche. Ciò consente di ottenere un’elevata flessibilità sull’allocazione dei pin, in modo tale che ogni modifica apportata al progetto di una scheda possa essere eseguita sia durante la fase di sviluppo, che durante il ciclo di vita del prodotto (ad esempio tra una revisione e la successiva). Nel prossimo paragrafo vedremo un dispositivo integrato grado di offrire una soluzione completa per la gestione combinata di sensori, alimentazione, e connessione wireless.

TI SimpleLink CC1310

Il microcontrollore SimpleLink CC1310 sviluppato da Texas Instruments unisce la funzionalità wireless di un transceiver RF con la potenza e la versatilità di un microcontrollore ottimizzato per l’utilizzo con un sistema operativo real time, ma anche come controllore indipendente, dedicato alla gestione dell’alimentazione e dei sensori.

Il transceiver, operante in banda sub-GHz, dispone di un proprio microcontrollore Cortex-M0 (Figura 2), in grado di gestire gli aspetti più critici del protocollo senza necessità di intervento da parte del processore principale, che può quindi essere più efficientemente impiegato per eseguire l’applicazione utente. Il dispositivo è in grado di supportare diversi tipi di modulazione, bande di frequenza, e velocità di trasmissione. Può ad esempio operare alla velocità di 625 bps nel caso di applicazioni a lungo raggio ed elevata robustezza, ma in applicazioni meno critiche il data rate può essere incrementato fino a 4 Mbps, con modulazioni che spaziano dall’FSK e MSK multi-livello, sino all’On-Off Keying (OOK).

Il microcontrollore Cortex-M3, operante alla frequenza di 48 MHz, supporta diversi tipi di layer fisici e standard RF, ed utilizza un RTOS (Real Time Operating System) per configurare la gestione del clock e dell’alimentazione.

Figura 2: il SimpleLink CC1310 include tre microcontrollori separati per la gestione di: RF, sensori e stack relativi ai protocolli di alto livello, e applicazione utente. Tuti i microcontrollori sono configurati tramite un sistema operativo real time

Il Sensor Controller (Figura 2) è un processore indipendente che ha il compito di gestire autonomamente una serie di periferiche, senza richiedere l’intervento da parte del processore main (ad esempio, quando si debba acquisire un campione dall’ADC, oppure per interrograre su SPI un sensore digitale). In questo modo è possibile ottenere una gestione più efficiente sia del tempo di elaborazione, che dell’assorbimento di corrente. L’utilizzo di un transceiver separato può comportare dei vantaggi significativi, come nel dispositivo che analizzeremo nel prossimo paragrafo.

Microchip MRF49XA

MRF49XA prodotto da Microchip (Figura 3) è un dispositivo progettato per applicazioni wireless bidirezionali a corto raggio, in grado di operare nelle bande ISM con frequenze di 434, 868, e 915 MHz. Il transceiver supporta la modulazione Frequency Shift Keying (FSK), e una funzionalità di Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) simile a quella utilizzata dallo standard Bluetooth. Il dispositivo può inoltre essere facilmente integrato con i microcontrollori della serie PIC di Microchip, nelle versioni a 8, 16, oppure 32 bit.

Figura 3: MRF49XA di Microchip è un transceiver RF stand-alone in grado di interfacciarsi con i microcontrollori a basso costo PIC a 8, 16, oppure 32 bit

La funzionalità FHSS permette di spostarsi automaticamente all’interno di differenti bande di frequenze, secondo una logica che evita i canali con maggiore presenza di rumore. Questo meccanismo permette di ottenere una buona immunità ai fenomeni di interferenza sui canali adiacenti, contribuendo a ridurre il Bit Error Rate (BER), e ad incrementare sia il raggio di copertura alle basse frequenze che la potenza di uscita (fattori chiave per le applicazioni IoT di tipo industriale).

Al fine di minimizzare i costi complessivi, il transceiver utilizza un quarzo generico, a basso costo, da 10 MHz, un filtro bypass, e un microcontrollore dal costo accessibile. MRF49XA fornisce inoltre direttamente il segnale di clock per il microcontrollore, eliminando la necessità di includere nel circuito un secondo oscillatore al quarzo, ed è in grado di interfacciarsi con i microcontrollori PIC tramite un collegamento SPI a 4 fili, a cui si aggiungono i segnali di interrupt e Reset. L’interfaccia completa tra il microcontrollore e il dispositivo MRF49XA è visibile in Figura 4.

Figura 4: collegamento del front end RF MRF49XA RF di Microchip con un microcontrollore, in una tipica applicazione IoT industriale

Il transceiver RF MRF49XA è anche disponibile su una daughter board PICtail, per un’agevole integrazione con le schede di sviluppo modulari a 8 bit PIC18 Explorer, e a 16/32 bit Explorer 16.

Conclusioni

I circuiti operanti nelle bande di frequenza sub-GHz possono drammaticamente estendere la durata delle batterie nei sensori wireless utilizzati nelle applicazioni IoT a livello industriale. Quando una rete include migliaia di nodi, i costi operativi relativi alla sostituzione delle batterie possono diventare proibitivi; ridurre il ciclo di sostituzione delle batterie a dieci, o addirittura venti anni, può fare una notevole differenza. Trovando il giusto compromesso tra velocità di trasmissione in banda stretta, raggio di copertura, e durata della batteria, e utilizzando sia dei dispositivi integrati che dei transceiver standalone uniti a un microcontrollore a basso costo, i progettisti sono in grado di ottimizzare il progetto del nodo IoT in modo tale da ottenere il migliore livello di prestazioni richiesto da un’applicazione per l'Internet of Things.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics