Dal momento della sua introduzione, l'IoT si è evoluto significativamente. Tra le molteplici applicazioni di questa tecnologia, il tracciamento (tracking) degli asset è senza dubbio quella che ha fatto registrare la maggiore diffusione. Le tipologie di asset tracciati sono estremamente diverse tra loro, dai container alla spedizione di medicinali indispensabili, dalle apparecchiature utilizzate nei settori "capital intensive" al bestiame. Alcune di queste tipologie di asset sono caratterizzate da un'elevata mobilità, attraversando nazioni e aree geografiche del mondo in molte delle quali non è presente una copertura mediante reti cellulari o LPWAN (Low Power WAN). Grazie a recenti innovazioni è ora possibile fornire la connettività IoT in modalità wireless attraverso satelliti LEO (Low Earth Orbit). Scopo di questo articolo è spiegare come implementare la connettività IoT globale in modo economico mediante SatIoT (Satellite IoT) e illustrare le caratteristiche della linea di prodotti di Astrocast.
Connettività IoT/IIoT wireless
Le origini dell'Internet of Things (IoT) sono poco chiare, anche se parecchie fonti fanno riferimento a un distributore automatico di bibite installato in un'ala della Carnagie Mellon University all'inizio degli anni '80. Il termine attuale è comunque stato coniato solo alla fine del 1999 da Kevin Ashton, periodo in cui il concetto di IoT stava iniziando a diffondersi. Come accade per molte innovazioni basate sull'elettronica, lo sviluppo tecnologico e l'adozione da parte dell'industria sono iterativi. I cicli di innovazione e domanda sono fenomeni noti e la crescita dell'IoT e della sua controparte industriale (IIoT - Industrial IoT) ha seguito questi schemi ciclici. Tra i numerosi esempi si può segnalare il funzionamento a basso consumo, necessario nelle applicazioni alimentate a batteria, che ha rappresentato un significativo ostacolo all'adozione dell'IoT fino all'avvento dei microcontrollori a bassissimo consumo (ULP - Ultra Low Power). Mentre all'inizio i dispositivi IoT erano cablati nelle reti Ethernet, l'ampia gamma di potenziali applicazioni basate sulla mobilità ha reso necessario il ricorso a reti LPWAN, in grado di fornire una connettività wireless resiliente e a basso consumo.
Opzioni di connettività wireless per l'IoT
Inizialmente, la connettività IoT/IIoT wireless era limitata alle installazioni Wi-Fi presenti nelle abitazioni, negli uffici e nelle fabbriche. Tuttavia, l'ampiezza di banda del Wi-Fi è eccessiva rispetto a quella richiesta dalla maggior parte dei semplici sensori utilizzati in ambito IoT. Senza dimenticare che quello Wi-Fi è un protocollo wireless caratterizzato da elevati consumi, adatto quindi per applicazioni alimentate dalla rete o per quelle che utilizzano una batteria a elevata capacità. Anche la connettività dati cellulare era inizialmente considerata un'alternativa costosa. Il servizio NB-IoT (Narrow Band IoT), integrato nelle specifiche 3GPP per le comunicazioni cellulari nel 2016, mette a disposizione una connessione caratterizzata da bassi consumi e ridotta ampiezza di banda ideale per parecchi sensori IoT. Per le installazioni IoT geograficamente disperse, l'avvento dei protocolli LPWAN sub-GHz come LoRa ha rappresentato un'alternativa a basso costo operante nello spettro non coperto da licenze alle tecnologie cellulari.
Grazie all'aumento del numero di opzioni di connettività wireless è stato possibile incrementare la gamma di potenziali applicazioni. Sebbene molte delle prime installazioni wireless alimentate a batteria fossero di tipo fisso, come ad esempio i contatori di utenze, la possibilità di sviluppare dispositivi IoT per applicazioni di tracciamento ha senza dubbio contribuito ad accelerare l'adozione di questa tecnologia. Come accennato all'inizio dell'articolo, l'applicazione IoT più diffusa è il tracciamento degli asset, dove l'asset (ovvero la risorsa da monitorare) può essere un container caricato su una nave in viaggio dall'Asia all'Europa oppure un lavoratore solitario impegnato in un'area di ricerca di vaste dimensioni. La gamma di applicazioni per il tracciamento degli asset è assai varia e spazia dai macchinari di grandi dimensioni usati nei settori "capital intensive" alle singole spedizioni di forniture di medicinali urgenti. L'agricoltura è un altro esempio di applicazione di tracciamento o monitoraggio che beneficia dei vantaggi legati all'uso di sensori a basso consumo collegati a reti LPWAN.
Nel momento in cui è necessario scegliere il tipo di connettività wireless da utilizzare, i progettisti devono tenere in considerazione parecchi fattori, tra cui:
Intervallo geografico: per quanto concerne questo aspetto, è necessario porsi domande circa il tipo di asset che si sta tracciando (o con il quale si è in comunicazione) e la distanza utile per poterlo seguire (o rimanere in contatto). Potrebbe infatti trattarsi di un asset ubicato a pochi chilometri da una postazione centrale, come ad esempio un'azienda agricola, oppure un container in viaggio attraverso il globo. Un altro fattore da tenere in considerazione nelle applicazioni di tracciamento è l'accuratezza del posizionamento. Il tracciamento di un container su un camion potrebbe richiedere un livello di accuratezza inferiore a 3 chilometri, mentre nel caso di un ricercatore che opera all'interno di laboratorio la precisione richiesta potrebbe essere inferiore al metro. L'attraversamento di confini, sia regionali sia nazionali, richiederà l'utilizzo del roaming cellulare, con possibilità di attivare la procedura di fall-back nei casi in cui il metodo di comunicazione principale non sia disponibile.
Sorgente di alimentazione: anche se l'alimentazione a batteria assicura la massima flessibilità, l'autonomia delle batterie ricaricabili può essere aumentata laddove sia prevista la possibilità di ospitare pannelli solari o di accumulare energia da fonti dirette o dall'ambiente. Il duty cycle del dispositivo determina la durata della batteria: per tale motivo, un dispositivo di tracciamento che deve comunicare una sola volta al giorno risulterà adatto per un container che viaggia via mare, ma non per il monitoraggio delle consegne giornaliere.
Latenza e dimensioni del pacchetto dati: la quantità dei dati che deve essere trasferita, la frequenza di trasferimento e la necessità o meno dell'interazione in real-time sono tutti elementi da tenere in considerazione. Il carico utile (payload) di un semplice sensore di temperatura e umidità può essere minore di 10 byte, di gran lunga inferiore rispetto a quello dei sensori basati sulla visione utilizzati nei processi di controllo industriali.
A causa dell'incremento del numero di applicazioni IoT, in particolare quelle di natura globale come appunto il tracciamento degli asset o la gestione di installazioni geograficamente disperse su larga scala, aumenta la necessità di integrare più metodi di connettività in un singolo dispositivo. I progressi nel campo delle tecnologie satellitari e la riduzione dei costi connessi alla loro adozione hanno contribuito a rendere la connettività IoT basata su satellite un'opzione decisamente interessante per parecchie applicazioni.
Connettività IoT satellitare
La messa in orbita di satelliti di comunicazione non è certamente un fenomeno recente, in quanto può essere fatto risalire agli inizi degli anni '60. Tuttavia, è solo nell'ultimo decennio che si è assistito a un incremento esponenziale del numero di satelliti lanciati: si tratta di dispositivi compatti, di costo contenuto e con dimensioni non superiori a quelle di una scatola di scarpe. Questi satelliti di piccole dimensioni sono stati denominati CubeSat e NanoSat. La loro diffusione è tale che molti di essi sono costruiti persino nei college e nelle università e vengono lanciati dalla NASA o da altre aziende appaltatrici che si occupano della messa in orbita di satelliti commerciali. Un nanosatellite in formato 1U ha dimensioni pari a 10x10x10 cm, mentre il suo peso solitamente non supera 1,3 kg. L'iniziativa CSLI (CubeSat Launch Initiative) della NASA offre un accesso allo spazio a costi contenuti a istituti scolastici, musei e centri scientifici. Decine di satelliti CubeSat possono essere lanciati contemporaneamente.
I satelliti, come riportato in Figura 1, possono essere collocati in una delle tre orbite terrestri.
Figura 1: La posizione delle tre orbite - GEO, MEO e LEO - rispetto alla Terra con l'indicazione delle rispettive distanze e della latenza del segnale di andata e ritorno (Fonte: Mouser)
Un'orbita geostazionaria consente a un satellite di apparire sempre nella stessa posizione da un punto fisso di osservazione sulla Terra (in altre parole viaggiano alla stessa velocità di rotazione della Terra). Da sottolineare il fatto che, a causa delle distanze coinvolte, la latenza è significativa e può arrivare a 0,6 secondi. I satelliti televisivi come la nota costellazione Astra 1, formata da quattro satelliti, percorrono un'orbita GEO e trasmettono migliaia di canali televisivi, radio e interattivi in Europa da una distanza di circa 35,768 km dalla Terra. La maggior parte dei satelliti GNSS si trovano sull'orbita MEO a una distanza di circa 22 chilometri dalla Terra.
Il posizionamento di una costellazione di satelliti CubeSat per fornire la connettività IoT si sta rivelando un'opzione sempre più interessante per numerose applicazioni. Sebbene ciascun satellite CubeSat sia visibile da un dispositivo IoT posizionato sulla terra per un breve periodo di tempo, ci saranno circa 10-12 passaggi giornalieri, numero ovviamente destinato a crescere per ogni satellite CubeSat che viene aggiunto alla costellazione. Senza dimenticare che la latenza di un satellite CubeSat che sfrutta l'orbita LEO è sensibilmente inferiore rispetto a quella di satelliti posizionati sulle orbite più distanti ed è quindi più che sufficiente per le esigenze della maggior parte delle applicazioni di tipo non deterministico.
Tra le numerose applicazioni che possono trarre indubbi vantaggi dall'utilizzo della connettività SatIoT si possono menzionare l'agricoltura "smart", il tracciamento di asset su scala globale e il monitoraggio delle prestazioni di macchinari pesanti. Tra gli altri possibili utilizzi da segnalare, l'acquisizione dei dati da boe in acque profonde e l'ottimizzazione del consumo di carburante delle imbarcazioni.
Astrocast, un esempio di fornitore di connettività SatIoT
Astrocast è un esempio di azienda fornitrice di connettività IoT satellitare, che dal 2019 lancia satelliti CubeSat del peso di circa 5 kg utilizzando prevalentemente razzi di SpaceX. Grazie alla sua più recente missione, che nel gennaio del 2023 ha visto il lancio di altri quattro satelliti CubeSat in formato 3U (di dimensioni pari a 10x10x 34 cm), la società svizzera può ora contare su una costellazione formata da 18 satelliti. Nella Figura 2 sono riportati i satelliti CubeSat di Astrocast pronti per l'ispezione finale.
Figura 2: I satelliti CubeSat di Astrocast (Fonte: Astrocast)
Oltre alla realizzazione e al posizionamento della costellazione satellitare, Astrocast propone la famiglia di moduli Astronode, dotati di ricetrasmettitore operante in banda L a basso consumo ed elevato grado di integrazione ottimizzati per la comunicazione diretta con la rete di satelliti della società.
La rete Astrocast offre una connessione bi-direzionale caratterizzata da una latenza ridotta, inferiore a 15 minuti per l'intera costellazione, e prevede la possibilità di effettuare l'aggiornamento dei dispositivi IoT in modalità OTA (Over-The-Air). La sicurezza dei dati è garantita attraverso la cifratura AES a 256 bit a più livelli. Nella Figura 3 viene riportata l'architettura ad alto livello del servizio SatIoT di Astrocast.
Figura 3: Struttura del servizio SatIoT di Astrocast (Fonte: Astrocast)
Il modulo Astronode S (Figura 4) è stato espressamente ideato per la connessione dei dispositivi con la rete IoT satellitare di Astrocast. Esso integra un microcontrollore ARM Cortex M33 e un ricetrasmettitore radio operante in banda L disponibile sotto forma di ASIC proprietario per la comunicazione con la costellazione di satelliti di Astrocast. La comunicazione con un dispositivo IoT host avviene attraverso un'interfaccia UART a basso consumo e altre porte GPIO. I dati possono essere memorizzati in qualsiasi momento nel buffer dei messaggi di Astronode. È possibile archiviare fino a un massimo di 8 messaggi, con un carico utile per ogni messaggio compreso fra 1 e 160 byte. Tali messaggi saranno inviati automaticamente al successivo passaggio del satellite. I consumi di potenza sono pari a 76 mA (max.) durante la trasmissione e di 320 nA quando il modulo si trova nella modalità "deep sleep", mentre la potenza di uscita in trasmissione può arrivare a +20 dBm.
Figura 4: Il modulo ricetrasmettitore Astronode S per applicazioni SatIoT (Fonte: Astrocast)
Il modulo Astronode S+ integra il modulo ricetrasmettitore di Astronode S e un'antenna patch Astronode ceramica compatta ottimizzata per il funzionamento in banda L. Estesa ampiezza del fascio, guadagno pari a +3 dBic e impedenza di 50 Ω sono le altre caratteristiche di rilievo.
La connettività satellitare apre la strada ad applicazioni IoT globali
Con l'aumentare del numero delle applicazioni IoT/IIoT, una connettività globale che abbini bassi consumi e consumi ridotti è divenuta un elemento cruciale. In passato, l'accesso alle comunicazioni satellitari era riservato alle agenzie governative e alle organizzazioni di ricerca nazionali. Grazie all'IoT satellitare sarà possibile accedere a una connettività veramente globale, economica e a basso consumo da utilizzare in applicazioni commerciali. La combinazione tra SatIoT e i protocolli wireless esistenti mette a disposizione un approccio estremamente flessibile e versatile per la connettività IoT.
Fonte Immagine in evidenza: Gorodenkoff/stock.
